Santrauka: Nanotechnologijos

Ekstrailgos molekulės
Anglies nanovamzdeliai išsitiesia

Kontekstas: Šiek tiek daugiau nei nanometro pločio anglies nanovamzdeliai tapo nano pasaulio superžvaigždėmis: neįprastai stiprūs, laidūs elektrai ir stabilūs aukštoje temperatūroje. Pluoštai, sudaryti iš nanovamzdelių, turėtų būti geresni nei pagaminti iš bet kokios esamos medžiagos. Tačiau vamzdžių ilgis – dauguma jų yra tik dešimtųjų milimetro – reikalauja, kad jie būtų išdėstyti taip, kad būtų užtikrintas didžiausias našumas. Dabar Los Alamos nacionalinės laboratorijos ir Duke universiteto mokslininkai sukūrė centimetrų ilgio nanovamzdelius, kurių ilgis tikrinamas tik pagal kameros, naudojamos jiems sukurti, dydį.

Ši istorija buvo mūsų 2005 m. sausio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Metodai ir rezultatai: Los Alamos komanda susintetino nanovamzdelius, tekėdami 900 laipsnių C temperatūroje etanolio garus virš geležies katalizatoriaus, uždėto ant silicio plokštelės. Vamzdžiai išaugo iš šių katalizatoriaus dėmių; katalizatorius buvo stumiamas išilgai plokštelės paviršiaus dujų srauto kryptimi. Ilgiausi vamzdeliai išaugo iki keturių centimetrų kaip tiesios linijos per visą silicio plokštelės ilgį ir baigiasi tik plokštelės krašte.

Kodėl tai svarbu: Anglies nanovamzdelių ryšuliai, susukti kaip pluoštai, buvo reklamuojami tais atvejais, kai itin svarbus didelis stiprumas ir mažas svoris, pradedant sportine įranga, tokia kaip golfo lazdos ar teniso raketės, baigiant mokslinės fantastikos svajonėmis apie liftus, kylančius į kosmosą. Nors trumpesni vamzdžiai turi daug žadančių pritaikymų, jų ryšuliai neatitiko savo potencialo dėl silpnų jungčių tarp vamzdžių. Vamzdžių pailginimas sumažina šias problemas, todėl mokslininkai priartėja prie nepaprasto nanovamzdelių pluoštų stiprumo ir laidumo išnaudojimo. Tačiau Los Alamos ir Duke tyrinėtojai padarė daugiau nei patobulino technologiją; jie padarė neįsivaizduojamą, sukūrę atskiras molekules, kurių ilgis yra sąvaržėlė.

Šaltinis: Zheng, L. X. ir kt. (2004) Itin ilgi vienos sienelės anglies nanovamzdeliai. Gamtos medžiagos 3: 673-6.

Nanokatilai
Draugiškesnis kelias į ceolitus

Kontekstas: Mineralai, vadinami ceolitais, yra būtini pramoninei chemijai, nes jie padeda žalią naftą paversti naudingomis cheminėmis medžiagomis, įskaitant plastikuose naudojamas medžiagas. Dramatiškai sumažinus naftos chemijos produktų kainą, ceolitai daro viską, nuo piliulių iki kišenių apsaugos priemonių, įperkamesnę. Dabar Škotijos Sent Andrews universiteto mokslininkai atrado būdą, kaip šiuos nanostruktūrinius mineralus pagaminti ne tik pigiau, bet ir greičiau, saugesniu bei mažiau toksišku.

Metodai ir rezultatai: Ceolitai paprastai gaminami karštame vandenyje esant pavojingai aukštam slėgiui. Mineraluose yra nanometrų pločio poros; šiose porose esančios molekulės reaguoja greitai ir švariai. Chemikai sukuria ceolitus per kondensacijos reakciją, kurios metu mineraliniai pirmtakai apvynioja molekules, pridedamas kaip šablonai, sudarydami porėtą kietą medžiagą. Užuot gaminusi ceolitus vandenyje, Emily Cooper, St. Andrews chemijos mokslų daktarė, ir jos kolegos naudojo skystas druskas palyginti žemoje temperatūroje. Šie skysčiai yra pagaminti iš įkrautų molekulių arba jonų, todėl mineralų pirmtakai kondensuojasi aplink juos tiesiogiai, todėl nereikia šablonų. Vėliau druskos jonai pašalinami, paliekant struktūrą su nanometro dydžio skylutėmis. Pagal receptą gautos penkios naujos nanoporinės medžiagos; du atstovavo dar niekad nematytas klases.

Kodėl tai svarbu: Standartinis ceolitų gamybos procesas yra brangus ir pavojingas, jam reikia specializuotos įrangos. Taikant naują techniką, juos turėtų sugebėti pagaminti net vidurinės mokyklos laboratorija. Dėl milijonų galimų druskų kompozicijų, pagamintų šio proceso metu, gali būti sukurtos ceolitų šeimos, turinčios visiškai naujas funkcijas, todėl kasdieniai produktai bus geresni ir pigesni.

Šaltinis: Cooper, E. R. ir kt. (2004) Joniniai skysčiai ir eutektiniai mišiniai kaip tirpiklis ir šablonas ceolito analogų sintezėje. Gamta 430: 1012-6.

Turiu atrodyti aštriai
Atominės jėgos mikroskopija atlieka elektrinius matavimus

Kontekstas: Korozijos greitį įrenginiuose, tokiuose kaip baterijos ir puslaidininkiai, dažnai lemia nanometro dydžio trūkumai. Laidieji atominės jėgos mikroskopai (AFM) gali atvaizduoti šiuos nanotrūkumus, tačiau norint tiksliai išmatuoti jų elektrines savybes, reikia žinoti, kiek mikroskopo aštraus laidžio galo liečiasi su aktyviuoju paviršiumi. Naudodamas matematinį modelį, Stanfordo universiteto Mechanikos inžinerijos katedros docentas Ryanas O'Hayre'as ir jo kolegos rado būdą netiesiogiai išmatuoti šią kontaktinę sritį, įveikdami laidžios antgalio mikroskopijos ribą ir pagerindami kokybės kontrolę.

Metodai ir rezultatai: Tyrėjai naudojo platina padengtą AFM antgalį, kad stebėtų vandenilio ir deguonies reakciją polimerinės kuro elementų membranos paviršiuje; kuro elementas buvo pasirinktas siekiant parodyti, kad nanoskalės matavimai gali koreliuoti su makroskalės rezultatais. Reakcijos greitis priklauso nuo to, kokią jėgą antgalis veikia membraną: jėga stumia medžiagas kartu, todėl jos šiek tiek deformuojasi, todėl padidėja jų sąveikos sritis. Svarbiausia, kad tyrėjai parodė, kad sąveikos plotą galima įvertinti nustatant membranos kietumą, kartu pateikiant keletą prielaidų ir matematinių gudrybių. Tyrėjai eksperimentavo trimis jėgos dydžiais tarp antgalio ir mėginio, o jų rezultatai atitiko įprastus eksperimentus, todėl jie buvo patikimesni.

Kodėl tai svarbu: AFM vykdymas gali suteikti nanoskalės skiriamąją gebą puslaidininkių, kuro elementų, baterijų ir kitų prietaisų elektriniams matavimams. Tačiau nors buvo įmanoma išmatuoti santykinius savybių, tokių kaip laidumas, talpa ir varža, pokyčius vieno medžiagos mėginio paviršiuje, palyginti tokių matavimų tarp medžiagų buvo neįmanoma. Atliekant AFM, nors ir galima rasti trūkumų, nepavyko išmatuoti absoliutaus jų sunkumo, nes skirtingos medžiagos skirtingai sąveikavo su AFM antgaliu. Šis patobulinimas gali paversti laidžią AFM iš tyrimų instrumento naudingu įrankiu daugelyje pramonės šakų.

Šaltinis: O'Hayre, R. ir kt. (2004) Kiekybinis impedanso matavimas naudojant atominės jėgos mikroskopiją. Taikomosios fizikos žurnalas 96: 3540-9.

paslėpti