Streszczenie: Nanotechnologia

Bardzo długie cząsteczki
Nanorurki węglowe rozciągają się

Kontekst: Nanorurki węglowe o szerokości niewiele większej niż nanometr stały się supergwiazdami świata nano: niezwykle silne, przewodzące elektryczność i stabilne w wysokich temperaturach. Włókna złożone z nanorurek powinny przewyższać włókna wykonane z jakiegokolwiek istniejącego materiału. Jednak długość rurek – większość ma tylko dziesiąte części milimetra – wymaga, aby były one ustawione w jednej linii, aby uzyskać najwyższą wydajność. Teraz naukowcy z Los Alamos National Laboratory i Duke University stworzyli nanorurki, które mają centymetry długości, a których długość jest sprawdzana jedynie przez rozmiar komory użytej do ich wytworzenia.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2005 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Metody i wyniki: Zespół z Los Alamos zsyntetyzował nanorurki, przepuszczając opary etanolu w temperaturze 900 stopni C przez żelazny katalizator naniesiony na płytkę krzemową. Rurki wyrosły z tych plam katalizatora; katalizator został przesunięty po powierzchni wafla w kierunku przepływu gazu. Najdłuższe rurki urosły do ​​czterech centymetrów jako proste linie na całej długości wafla krzemowego, kończące się tylko na krawędzi wafla.

Dlaczego jest to ważne: Wiązki nanorurek węglowych, przędzionych jak włókna, były promowane do zastosowań, w których wysoka wytrzymałość i niska waga mają kluczowe znaczenie, od sprzętu sportowego, takiego jak kije golfowe lub rakiety tenisowe, po marzenia science fiction o windach sięgających w kosmos. Chociaż krótsze rury mają wiele obiecujących zastosowań same w sobie, ich wiązki nie spełniły swojego potencjału z powodu słabych połączeń między rurami. Wydłużenie rurek zmniejsza te problemy, przybliżając naukowców do wykorzystania niezwykłej wytrzymałości i przewodności wiązek nanorurek. Ale badacze z Los Alamos i Duke zrobili więcej niż tylko rozwinięcie technologii; zrobili rzeczy nie do pomyślenia, budując pojedyncze cząsteczki tak długie jak spinacz do papieru.

Źródło: Zheng, LX i in. (2004) Ultradługie jednościenne nanorurki węglowe. Materiały przyrodnicze 3: 673-6.

Nanokociołki
Bardziej przyjazna droga do zeolitów

Kontekst: Minerały zwane zeolitami są niezbędne w chemii przemysłowej, ponieważ pomagają przekształcać ropę naftową w przydatne chemikalia, w tym materiały stosowane w tworzywach sztucznych. Poprzez radykalne obniżenie kosztów produktów petrochemicznych, zeolity sprawiają, że wszystko, od pigułek po ochraniacze kieszeni, jest bardziej przystępne. Teraz naukowcy z Uniwersytetu St. Andrews w Szkocji odkryli sposób na wytwarzanie tych nanostrukturalnych minerałów, który jest nie tylko tańszy, ale także szybszy, bezpieczniejszy i mniej toksyczny.

Metody i wyniki: Zeolity są zwykle wytwarzane w gorącej wodzie pod niebezpiecznie wysokim ciśnieniem. Minerały są podziurawione porami o szerokości nanometrów; cząsteczki schowane w tych porach reagują szybko i czysto. Chemicy tworzą zeolity poprzez reakcję kondensacji, podczas której prekursory minerałów otaczają cząsteczki dodane jako matryce, tworząc porowate ciało stałe. Zamiast wytwarzać zeolity w wodzie, Emily Cooper, doktorantka chemii w St. Andrews, i jej koledzy używali płynnych soli o stosunkowo niskiej temperaturze. Ciecze te składają się z naładowanych cząsteczek lub jonów, więc prekursory minerałów kondensują się bezpośrednio wokół nich, eliminując potrzebę stosowania szablonów. Następnie jony soli są usuwane, pozostawiając strukturę z otworami wielkości nanometrów. Receptura dała pięć nowych materiałów nanoporowatych; dwie reprezentowane klasy, których nigdy wcześniej nie widziano.

Dlaczego jest to ważne: Standardowy proces wytwarzania zeolitów jest kosztowny i niebezpieczny oraz wymaga specjalistycznego sprzętu. Dzięki nowej technice nawet laboratorium w szkole średniej powinno być w stanie je wykonać. Miliony możliwych kompozycji soli wytworzonych w tym procesie mogą doprowadzić do powstania rodzin zeolitów o zupełnie nowych funkcjach, prowadzących do lepszych i tańszych produktów codziennego użytku.

Źródło: Cooper, E.R. et al. (2004) Ciecze jonowe i mieszaniny eutektyczne jako rozpuszczalnik i matryca w syntezie analogów zeolitów. Natura 430: 1012-6.

Muszę wyglądać ostro
Mikroskopia sił atomowych wykonuje pomiary elektryczne

Kontekst: Szybkość korozji w urządzeniach, takich jak baterie i półprzewodniki, jest często podyktowana niedoskonałościami wielkości nanometrów. Przewodzące mikroskopy sił atomowych (AFM) mogą obrazować te nanowady, ale dokładny pomiar ich właściwości elektrycznych wymaga wiedzy, jaka część ostrej przewodzącej końcówki mikroskopu styka się z aktywną powierzchnią. Korzystając z modelu matematycznego, Ryan O’Hayre, adiunkt na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Stanforda, i jego koledzy znaleźli sposób na pośrednie zmierzenie tego obszaru styku, pokonując granice mikroskopii przewodzącej końcówki i poprawiając kontrolę jakości.

Metody i wyniki: Badacze wykorzystali pokrytą platyną końcówkę AFM do monitorowania reakcji między wodorem i tlenem na powierzchni membrany polimerowego ogniwa paliwowego; Ogniwo paliwowe zostało wybrane, aby pokazać, że pomiary w nanoskali mogą korelować z wynikami w makroskali. Szybkość reakcji zależy od siły, jaką końcówka przykłada do membrany: siła ściska materiały razem, powodując ich nieznaczne odkształcenie, a tym samym zwiększa obszar interakcji między nimi. Co najważniejsze, naukowcy wykazali, że obszar interakcji można oszacować, określając twardość membrany, wraz z kilkoma założeniami i sztuczkami matematycznymi. Naukowcy eksperymentowali z trzema rzędami wielkości siły między końcówką a próbką, a ich wyniki były zgodne z konwencjonalnymi eksperymentami, co czyniło je bardziej wiarygodnymi.

Dlaczego jest to ważne: Prowadzenie AFM może zapewnić rozdzielczość nanoskalową pomiarom elektrycznym półprzewodników, ogniw paliwowych, baterii i innych urządzeń. Ale chociaż możliwe było zmierzenie względnych zmian właściwości, takich jak przewodnictwo, pojemność i impedancja na powierzchni pojedynczej próbki materiału, porównanie takich pomiarów między materiałami było niemożliwe. Prowadzenie AFM, chociaż było w stanie znaleźć wady, nie mogło zmierzyć ich bezwzględnej dotkliwości, ponieważ różne materiały wchodziły w interakcje z końcówką AFM na różne sposoby. To udoskonalenie może przekształcić przewodzący AFM z instrumentu badawczego w użyteczne narzędzie w wielu gałęziach przemysłu.

Źródło: O’Hayre, R. i in. (2004) Ilościowy pomiar impedancji za pomocą mikroskopii sił atomowych. Dziennik Fizyki Stosowanej 96: 3540-9.

ukryć