Konspekts: Nanotehnoloģijas

Īpaši garas molekulas
Oglekļa nanocaurules izstiepjas

Konteksts: Nedaudz vairāk nekā nanometru platas oglekļa nanocaurules ir kļuvušas par nanopasaules superzvaigznēm: neparasti spēcīgas, elektrību vadošas un stabilas augstā temperatūrā. Šķiedrām, kas sastāv no nanocaurulēm, vajadzētu būt labākām par tām, kas izgatavotas no jebkura esoša materiāla. Tomēr cauruļu garums — lielākā daļa ir tikai milimetra desmitdaļas — prasa, lai tās būtu sakārtotas, lai nodrošinātu maksimālu veiktspēju. Tagad Losalamos Nacionālās laboratorijas un Djūka universitātes pētnieki ir izveidojuši centimetrus garas nanocaurules, kuru garumu pārbauda tikai to izveidošanai izmantotās kameras izmērs.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2005. gada janvāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Metodes un rezultāti: Los Alamos komanda sintezēja nanocaurules, plūstot etanola tvaikus 900 °C temperatūrā virs dzelzs katalizatora, kas bija uzklāts uz silīcija plāksnītes. No šīm katalizatora vietām izauga caurules; katalizators tika stumts pa vafeles virsmu gāzes plūsmas virzienā. Garākās caurules izauga līdz četriem centimetriem kā taisnas līnijas visā silīcija vafeles garumā, kas beidzās tikai pie vafeles malas.

Kāpēc tas ir svarīgi: Oglekļa nanocauruļu kūļi, kas vērptas kā šķiedras, ir reklamēti lietojumos, kur liela izturība un mazs svars ir kritiski svarīgi, sākot no sporta aprīkojuma, piemēram, golfa nūjām vai tenisa raketēm, līdz zinātniskās fantastikas sapņiem par liftu izplatīšanos kosmosā. Lai gan īsākajām caurulēm pašas par sevi ir daudz daudzsološu pielietojumu, to komplekti nav spējuši sasniegt savu potenciālu, jo starp caurulēm ir vājas saites. Cauruļu pagarināšana samazina šīs problēmas, tuvinot pētniekus nanocauruļu saišķu ievērojamās izturības un vadītspējas izmantošanai. Taču Los Alamos un Duke pētnieki ir paveikuši vairāk, nekā attīstījuši tehnoloģiju; viņi ir paveikuši neiedomājamo, veidojot atsevišķas molekulas līdz papīra saspraudes garumam.

Avots: Zheng, L. X. et al. (2004) Īpaši garas vienas sienas oglekļa nanocaurules. Dabas materiāli 3: 673-6.

Nano katli
Draudzīgāks ceļš uz ceolītiem

Konteksts: Minerāli, ko sauc par ceolītiem, ir būtiski rūpnieciskajā ķīmijā, jo tie palīdz jēlnaftu pārvērst noderīgās ķīmiskās vielās, tostarp plastmasā izmantotajos materiālos. Ievērojami samazinot naftas ķīmijas produktu izmaksas, ceolīti padara visu, sākot no tabletēm un beidzot ar kabatas aizsargiem, pieejamāku. Tagad pētnieki no Sentendrjūsas universitātes Skotijā ir atklājuši veidu, kā padarīt šos nanostrukturētos minerālus ne tikai lētākus, bet arī ātrākus, drošākus un mazāk toksiskus.

Metodes un rezultāti: Ceolītus parasti ražo karstā ūdenī ar bīstami augstu spiedienu. Minerālvielas ir caurstrāvotas ar nanometru platām porām; šajās porās ievietotās molekulas reaģē ātri un tīri. Ķīmiķi veido ceolītus, izmantojot kondensācijas reakciju, kuras laikā minerālu prekursori iekapsulē molekulas, kas pievienotas kā veidnes, veidojot porainu cietu vielu. Tā vietā, lai ūdenī ražotu ceolītus, Emīlija Kūpere, Sentendrjūsas ķīmijas postdoktore, un viņas kolēģi izmantoja šķidros sāļus salīdzinoši zemā temperatūrā. Šie šķidrumi ir izgatavoti no lādētām molekulām jeb joniem, tāpēc minerālu prekursori kondensējas ap tiem tieši, tādējādi novēršot veidņu nepieciešamību. Pēc tam sāls joni tiek noņemti, atstājot struktūru ar nanometru izmēra caurumiem. Pēc receptes tika iegūti pieci jauni nanoporaini materiāli; divas pārstāvēja līdz šim neredzētas klases.

Kāpēc tas ir svarīgi: Standarta ceolītu ražošanas process ir dārgs un bīstams, un tam ir nepieciešams specializēts aprīkojums. Izmantojot jauno tehniku, tos vajadzētu izgatavot pat vidusskolas laboratorijai. Miljoniem iespējamo sāls kompozīciju, kas iegūtas, izmantojot šo procesu, rezultātā var izveidoties ceolītu ģimenes ar pilnīgi jaunām funkcijām, tādējādi radot labākus un lētākus ikdienas produktus.

Avots: Cooper, E. R. et al. (2004) Jonu šķidrumi un eitektiskie maisījumi kā šķīdinātājs un veidne ceolīta analogu sintēzē. Daba 430: 1012-6.

Jāskatās asi
Atomu spēka mikroskopija veic elektriskos mērījumus

Konteksts: Korozijas ātrumu tādās ierīcēs kā akumulatori un pusvadītāji bieži nosaka nanometru izmēra nepilnības. Vadošie atomu spēka mikroskopi (AFM) var attēlot šos nanotrūkumus, taču, lai precīzi izmērītu to elektriskās īpašības, ir jāzina, cik liela daļa mikroskopa asā vadošā gala saskaras ar aktīvo virsmu. Izmantojot matemātisko modeli, Stenfordas Universitātes Mašīnbūves katedras docents Raiens O'Hairs un viņa kolēģi ir atraduši veidu, kā netieši izmērīt šo kontakta laukumu, pārvarot vadošās uzgaļa mikroskopijas ierobežojumu un uzlabojot kvalitātes kontroli.

Metodes un rezultāti: Pētnieki izmantoja ar platīnu pārklātu AFM galu, lai uzraudzītu reakciju starp ūdeņradi un skābekli polimēra kurināmā elementu membrānas virsmā; degvielas šūna tika izvēlēta, lai parādītu, ka nanomēroga mērījumi var korelēt ar makro mēroga rezultātiem. Reakcijas ātrums ir atkarīgs no tā, cik lielu spēku uzgalis pieliek membrānai: spēks saspiež materiālus kopā, liekot tiem nedaudz deformēties, un tādējādi palielinās abu mijiedarbības laukums. Būtiski, pētnieki parādīja, ka mijiedarbības laukumu var novērtēt, nosakot membrānas cietību, kam pievienoti daži pieņēmumi un matemātiski triki. Pētnieki eksperimentēja ar trīs spēka kārtu lielumu starp galu un paraugu, un viņu rezultāti atbilda parastajiem eksperimentiem, padarot tos ticamākus.

Kāpēc tas ir svarīgi: AFM vadīšana var dot nanomēroga izšķirtspēju pusvadītāju, kurināmā elementu, akumulatoru un citu ierīču elektriskajiem mērījumiem. Bet, lai gan bija iespējams izmērīt relatīvas izmaiņas tādās īpašībās kā vadītspēja, kapacitāte un pretestība viena materiāla parauga virsmā, šādu mērījumu salīdzināšana starp materiāliem nebija iespējama. AFM vadīšana, lai gan spēja atrast trūkumus, nevarēja izmērīt to absolūto smagumu, jo dažādi materiāli dažādos veidos mijiedarbojās ar AFM galu. Šis uzlabojums var pārveidot vadošu AFM no pētniecības instrumenta par noderīgu rīku vairākās nozarēs.

Avots: O’Hayre, R. et al. (2004) Kvantitatīvā pretestības mērīšana, izmantojot atomu spēka mikroskopiju. Lietišķās fizikas žurnāls 96: 3540-9.

paslēpties