Synopse: Nanotechnologie

Extra dlouhé molekuly
Uhlíkové nanotrubice se natahují

Kontext: Uhlíkové nanotrubice o šířce něco málo přes nanometr se staly superhvězdami nanosvěta: neobvykle pevné, elektricky vodivé a stabilní při vysokých teplotách. Vlákna složená z nanotrubic by měla překonat vlákna vyrobená z jakéhokoli existujícího materiálu. Délka trubek – většina z nich je dlouhá pouze desetiny milimetru – však vyžaduje, aby byly seřazeny pro dosažení špičkového výkonu. Nyní vědci z Los Alamos National Laboratory a Duke University vytvořili nanotrubice dlouhé centimetry a jejichž délka je kontrolována pouze velikostí komory použité k jejich vytvoření.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z ledna 2005

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Metody a výsledky: Tým z Los Alamos syntetizoval nanotrubice prouděním etanolových par při 900 °C přes železný katalyzátor nanesený na křemíkový plátek. Z těchto míst katalyzátoru vyrostly trubky; katalyzátor byl tlačen podél povrchu plátku ve směru toku plynu. Nejdelší trubice narostly na čtyři centimetry jako rovné čáry po délce křemíkového plátku, které končily pouze na okraji plátku.

Proč na tom záleží: Svazky uhlíkových nanotrubiček, spřádané jako vlákna, byly propagovány pro aplikace, kde je kritická vysoká pevnost a nízká hmotnost, od sportovního vybavení, jako jsou golfové hole nebo tenisové rakety, až po sny sci-fi o výtazích vybíhajících do vesmíru. Ačkoli kratší elektronky mají samy o sobě mnoho slibných aplikací, svazky z nich nedokázaly plnit svůj potenciál kvůli slabým spojům mezi elektronkami. Prodloužení trubek snižuje tyto problémy a přibližuje výzkumníky k využití pozoruhodné síly a vodivosti svazků nanotrubiček. Ale výzkumníci z Los Alamos a Duke udělali více než jen pokrok v technologii; dokázali nemyslitelné, postavili jednotlivé molekuly dlouhé jako kancelářská sponka.

Zdroj: Zheng, L. X. et al. (2004) Ultralong jednostěnné uhlíkové nanotrubice. Přírodní materiály 3: 673-6.

Nanokotle
Přívětivější cesta k zeolitům

Kontext: Minerály zvané zeolity jsou nezbytné pro průmyslovou chemii, protože pomáhají přeměňovat surovou ropu na užitečné chemikálie, včetně materiálů používaných v plastech. Dramatickým snížením nákladů na petrochemické produkty činí zeolity vše od pilulek po kapesní chrániče dostupnější. Nyní vědci z University of St. Andrews ve Skotsku objevili způsob, jak vyrobit tyto nanostrukturované minerály, který je nejen levnější, ale také rychlejší, bezpečnější a méně toxický.

Metody a výsledky: Zeolity se typicky vyrábějí v horké vodě při nebezpečně vysokém tlaku. Minerály jsou posety nanometrovými póry; molekuly zastrčené uvnitř těchto pórů reagují rychle a čistě. Chemici vytvářejí zeolity prostřednictvím kondenzační reakce, během níž minerální prekurzory zapouzdřují molekuly přidané jako šablony a vytvářejí porézní pevnou látku. Namísto výroby zeolitů ve vodě Emily Cooperová, postdoktorka chemie v St. Andrews, a její kolegové používali tekuté soli při relativně nízké teplotě. Tyto kapaliny jsou vyrobeny z nabitých molekul nebo iontů, takže kolem nich přímo kondenzují minerální prekurzory, což eliminuje potřebu šablon. Poté jsou ionty soli odstraněny a zanechává strukturu s otvory o velikosti nanometrů. Receptura poskytla pět nových nanoporézních materiálů; dvě zastoupené třídy, které tu ještě nebyly.

Proč na tom záleží: Standardní proces výroby zeolitů je drahý a nebezpečný a vyžaduje specializované vybavení. S novou technikou by je měla zvládnout vyrobit i středoškolská laboratoř. Miliony možných složení solí vyrobených tímto procesem by mohly vést k vytvoření rodin zeolitů se zcela novými funkcemi, které by vedly k lepším a levnějším každodenním produktům.

Zdroj: Cooper, E. R. et al. (2004) Iontové kapaliny a eutektické směsi jako rozpouštědlo a templát v syntéze analogů zeolitu. Příroda 430: 1012-6.

Musím vypadat ostře
Mikroskopie atomových sil provádí elektrická měření

Kontext: Rychlost koroze v zařízeních, jako jsou baterie a polovodiče, je často určována nedokonalostmi o velikosti nanometrů. Vodivé mikroskopy atomárních sil (AFM) mohou zobrazit tyto nanochyby, ale přesné měření jejich elektrických vlastností vyžaduje vědět, jak velká část ostrého vodivého hrotu mikroskopu přichází do kontaktu s aktivním povrchem. Ryan O’Hayre, odborný asistent na katedře strojního inženýrství Stanfordské univerzity, a jeho kolegové pomocí matematického modelu našli způsob, jak nepřímo změřit tuto kontaktní plochu, překonat limit mikroskopie s vodivým hrotem a zlepšit kontrolu kvality.

Metody a výsledky: Výzkumníci použili špičku AFM potaženou platinou ke sledování reakce mezi vodíkem a kyslíkem na povrchu membrány polymerního palivového článku; palivový článek byl vybrán, aby ukázal, že měření v nanoměřítku mohou korelovat s výsledky v makroměřítku. Rychlost reakce závisí na tom, jak velkou silou hrot působí na membránu: síla tlačí materiály k sobě, což způsobuje jejich mírnou deformaci, a tak zvětšuje oblast vzájemného působení mezi nimi. Zásadní je, že vědci ukázali, že oblast interakce lze odhadnout určením tvrdosti membrány, doprovázené několika předpoklady a matematickými triky. Výzkumníci experimentovali se třemi řády velikosti síly mezi špičkou a vzorkem a jejich výsledky byly všechny v souladu s konvenčními experimenty, díky čemuž byly věrohodnější.

Proč na tom záleží: Vedení AFM může poskytnout nanorozlišení elektrických měření polovodičů, palivových článků, baterií a dalších zařízení. Ale zatímco bylo možné měřit relativní změny ve vlastnostech, jako je vodivost, kapacita a impedance na povrchu jediného vzorku materiálu, srovnání takových měření mezi materiály bylo nemožné. Vedení AFM, přestože bylo schopné najít nedostatky, nemohlo změřit jejich absolutní závažnost, protože různé materiály interagovaly s hrotem AFM různými způsoby. Toto zdokonalení může přeměnit vodivé AFM z výzkumného nástroje na užitečný nástroj v řadě průmyslových odvětví.

Zdroj: O’Hayre, R. et al. (2004) Kvantitativní měření impedance pomocí mikroskopie atomární síly. Journal of Applied Physics 96: 3540-9.

skrýt