Synopsis: Nanoteknologi

Ekstralange molekyler
Carbon nanorør strækker sig ud

Sammenhæng: Lidt mere end en nanometer brede er kulstofnanorør blevet superstjerner i nanoverdenen: usædvanligt stærke, elektrisk ledende og stabile ved høje temperaturer. Fibre, der er sammensat af nanorør, bør overgå dem, der er lavet af ethvert eksisterende materiale. Længden af ​​rørene – de fleste er kun tiendedele af en millimeter lange – kræver dog, at de er opstillet for at opnå topydelse. Nu har forskere ved Los Alamos National Laboratory og Duke University skabt nanorør, der er centimeter lange, og hvis længde kun kontrolleres af størrelsen af ​​det kammer, der blev brugt til at skabe dem.

Denne historie var en del af vores januarudgave fra 2005

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Metoder og resultater: Los Alamos-teamet syntetiserede nanorørene ved at flyde ethanoldampe ved 900 grader C over en jernkatalysator, der var plettet på en siliciumwafer. Rør voksede fra disse katalysatorpletter; katalysatoren blev skubbet langs waferoverfladen i retning af gasstrømmen. De længste rør voksede til fire centimeter som lige linjer på tværs af siliciumwaferens længde og sluttede kun ved waferens kant.

Hvorfor det er vigtigt: Bunter af kulstof nanorør, spundet som fibre, er blevet promoveret til applikationer, hvor høj styrke og lav vægt er afgørende, fra sportsudstyr som golfkøller eller tennisketchere til science fiction-drømme om elevatorer, der strækker sig ud i det ydre rum. Selvom de kortere rør har mange lovende anvendelser i deres egen ret, har bundter af dem ikke præsteret op til deres potentiale på grund af svage forbindelser mellem rørene. Forlængelse af rørene reducerer disse problemer, hvilket bringer forskere tættere på at udnytte den bemærkelsesværdige styrke og ledningsevne af nanorørbundter. Men Los Alamos og Duke-forskerne har gjort mere end at fremme en teknologi; de har gjort det utænkelige, bygget individuelle molekyler så lange som en papirclips.

Kilde: Zheng, L. X. et al. (2004) Ultralange enkeltvæggede kulstof nanorør. Naturmaterialer 3: 673-6.

Nanokedler
En venligere vej til zeolitter

Sammenhæng: Mineraler kaldet zeolitter er essentielle for industriel kemi, fordi de hjælper med at omdanne råolie til nyttige kemikalier, herunder de materialer, der bruges i plast. Ved dramatisk at reducere prisen på petrokemikalier gør zeolitter alt fra piller til lommebeskyttere mere overkommelige. Nu har forskere ved University of St. Andrews i Skotland opdaget en måde at fremstille disse nanostrukturerede mineraler på, som ikke kun er billigere, men også hurtigere, sikrere og mindre giftig.

Metoder og resultater: Zeolitter laves typisk i varmt vand ved farligt høje tryk. Mineralerne er fyldt med nanometer brede porer; molekyler gemt inde i disse porer reagerer hurtigt og rent. Kemikere skaber zeolitterne gennem en kondensationsreaktion, hvor mineralprækursorer indkapsler molekyler, der er tilføjet som skabeloner, og danner et porøst fast stof. I stedet for at lave zeolitter i vand brugte Emily Cooper, en kemi-postdoc ved St. Andrews, og hendes kolleger flydende salte ved en relativt lav temperatur. Disse væsker er lavet af ladede molekyler eller ioner, så mineralprækursorer kondenserer direkte omkring dem, hvilket eliminerer behovet for skabeloner. Bagefter fjernes saltionerne og efterlader en struktur med huller på nanometerstørrelse. Opskriften gav fem nye nanoporøse materialer; to repræsenterede klasser, som aldrig var set før.

Hvorfor det er vigtigt: Standardprocessen til fremstilling af zeolitter er dyr og farlig, og den kræver specialudstyr. Med den nye teknik burde selv et gymnasiums laboratorium være i stand til at lave dem. De millioner af mulige saltsammensætninger produceret gennem denne proces kan resultere i skabelsen af ​​familier af zeolitter med helt nye funktioner, hvilket fører til bedre og billigere hverdagsprodukter.

Kilde: Cooper, E. R. et al. (2004) Ioniske væsker og eutektiske blandinger som opløsningsmiddel og skabelon i syntese af zeolitanaloger. Natur 430: 1012-6.

Man skal se skarp ud
Atomkraftmikroskopi foretager elektriske målinger

Sammenhæng: Korrosionshastigheden i enheder som batterier og halvledere er ofte dikteret af ufuldkommenheder på nanometerstørrelse. Ledende atomkraftmikroskoper (AFM'er) kan afbilde disse nanolove, men nøjagtig måling af deres elektriske egenskaber kræver at vide, hvor meget af mikroskopets skarpe ledende spids, der kommer i kontakt med den aktive overflade. Ved hjælp af en matematisk model har Ryan O'Hayre, en assisterende professor ved Stanford University Department of Mechanical Engineering, og hans kolleger fundet en måde at indirekte måle dette kontaktområde, overvinde en grænse for ledende spidsmikroskopi og forbedre kvalitetskontrollen.

Metoder og resultater: Forskere brugte en platinbelagt AFM-spids til at overvåge reaktionen mellem brint og oxygen på overfladen af ​​en polymerbrændselscellemembran; brændselscellen blev valgt for at vise, at målinger i nanoskala kan korrelere med resultater i makroskala. Reaktionshastigheden afhænger af, hvor meget kraft spidsen påfører membranen: Kraften skubber materialerne sammen, hvilket får dem til at deformeres en smule og øger dermed interaktionsområdet mellem de to. Det er afgørende, at forskerne viste, at interaktionsområdet kan estimeres ved at bestemme membranens hårdhed, ledsaget af nogle få antagelser og matematiske tricks. Forskerne eksperimenterede på tværs af tre størrelsesordener af kraft mellem spids og prøve, og deres resultater var alle i overensstemmelse med konventionelle eksperimenter, hvilket gjorde dem mere troværdige.

Hvorfor det er vigtigt: Udførelse af AFM kan give opløsning i nanoskala til elektriske målinger af halvledere, brændselsceller, batterier og andre enheder. Men mens det var muligt at måle relative ændringer i egenskaber som ledningsevne, kapacitans og impedans over overfladen af ​​en enkelt materialeprøve, havde det været umuligt at sammenligne sådanne målinger mellem materialer. At udføre AFM, selv om det var i stand til at finde fejl, kunne ikke måle deres absolutte sværhedsgrad, da forskellige materialer interagerede med AFM-spidsen på forskellige måder. Denne forfining kan konvertere ledende AFM fra et forskningsinstrument til et nyttigt værktøj i en række brancher.

Kilde: O'Hayre, R. et al. (2004) Kvantitativ impedansmåling ved hjælp af atomkraftmikroskopi. Journal of Applied Physics 96: 3540-9.

skjule