Znajdź zawartość

Badacze z Rice University poinformowali o opracowaniiu nowej metody produkcji grafenu z bogatych w węgiel substancji, takich jak np. cukier. Opracowali oni jednoprzebiegowy proces odbywający się w niższej niż dotychczas temperaturze, co ułatwia cały proces produkcyjny. Chemik James Tour i jego zespół twierdzą, że duże płachty grafenu wysokiej jakości mogą być tworzone w temperaturze już 800 stopni Celsjusza z wielu źródeł zawierających węgiel. Dotychczas do ich powstania wymagana była temperatura rzędu 1000 stopni. Przy 800 stopniach krzemowe podłoże [na którym powstaje grafen - red.] pozostaje przydatne w elektronice, podczas gdy w 1000 stopni traci ono ważne domieszki - mówi Tour. Autorem odkrycia jest student Toura, Zhengzong Sun, który zauważył, że nałożenie zawierających w węgiel substancji na podłoże bogate w miedź czy nikiel pozwala produkować jedno-, dwu- i wielowarstwowe płachty grafenu. Proces taki nadaje się też do tworzenia grafenu wzbogacanego domieszkami, co umożliwia manipulowanie jego elektronicznymi i optycznymi właścicielami. Najpierw Sun nałożył na miedziane podłoże szkło akrylowe (pleksiglas - PMMA). Po podgrzaniu w warunkach niskiego ciśnienia i obecności wodoru i argonu z PMMA pozostał czysty węgiel ułożony w jednoatomową warstwę. Okazało się również, że manipulując przepływem gazów można kontrolować grubość grafenu uzyskiwanego z PMMA. Później student wraz z kolegami spróbował tego samego z wykorzystaniem... cukru. Miedzianą folę pokrył centymetrem kwadratowym cukru i poddał całość takiemu samemu procesowi, któremu poddawał PMMA. Spodziewał się, że uzyskany w ten sposób grafen będzie pełen defektów ze względu na strukturę substancji. Okazało się jednak, że defektów jest na tyle mało, iż materiał może zostać w praktyce wykorzystany. Procesu takiego nie udało się natomiast przeprowadzić w sytuacji, gdy podłożem dla materiału z węglem był krzem lub tlenek krzemu. Jednak możliwe jest uzyskanie grafenu, jeśli krzem zostanie najpierw pokryty warstwą miedzi lub niklu.

Uczeni z Rice University odkryli prosty sposób na zmuszenie węglowych nanorurek do tego, by świeciły jaśniej. Nanorurki charakteryzują się pewną naturalną fluoroscencją, jednak reakcje chemiczne zachodzące na ich powierzchni prowadzą do jej zaniku. Bruce Weisman, pionier w badaniu spektroskopii nanorurek, odkrył, że dodanie niewielkiej ilości ozonu do nanorurek posiadających pojedynczą ściankę i wystawienie ich na działanie światła, powoduje, że atomy tlenu łączą się z nanorurkami, a fluoroscencja w bliskiej podczerwieni ulega wzmocnieniu. Odkrycie to pozwoli zastosować nanorurki w wielu dziedzinach nauki. Przydadzą się one zarówno w biologii, gdzie wzmocniona fluoroscencja pozwoli na śledzenie nanorurek wprowadzonych do komórek organizmu żywego, jak i posłużą do budowy laserów. Weisman i jego student Saunab Ghosh odkryli, że kluczowym elementem jest oświetlenie nanorurki. Nie jesteśmy pierwszymi, którzy badają wpływ ozonu na nanorurki. Takie prace prowadzone są od lat. Jednak wcześniej uczeni mieli ciężką rękę i wystawiali nanorurki na działanie dużych ilości ozonu. Wówczas jednak dochodzi do zniszczenia użytecznych właściwości optycznych nanorurek, ich fluoroscencja zostaje całkowicie wyłączona. My postanowiliśmy dodać zaledwie 1 atom tlenu na 2-3 tysiące atomów węgla. To bardzo mało - mówi Weisman. Metoda Weismana i Ghosha jest banalnie prosta. Uczeni zanurzyli nanorurki w wodzie, dodali do niej rozpuszczony ozon i całość oświetlili. Do przeprowadzenia użytecznej reakcji wystarczy nawet światło zwykłej lampki biurowej. W ten sposób powstały nanorurki wzbogacone tlenem, w których zdecydowana większość powierzchni pozostaje w stanie niezmienionym. Nanorurki absorbują zatem światło podczerwone, tworząc ekscytony, kwazicząsteczki mające tendencję do samoistnego przeskakiwania po nanorurkach. Przeskakują tak długo, aż napotkają atom tlenu. W czasie swojego życia ekscyton może odwiedzić dziesiątki tysięcy atomów węgla. Nasz pomysł wykorzystuje ten fakt, gdyż założyliśmy, że ekscyton będzie skakał wystarczająco długo, by napotkać miejsce wzbogacone tlenem. A gdy do tego dojdzie, ekscyton w nim pozostanie, gdyż jest to miejsce energetycznie stabilne. Tlen więzi ekscyton, co prowadzi do emisji fali światło o większej długości światła niż w naturalnej fluoroscencji nanorurek. Mówiąc wprost - większa część nanorurek działa jak antena absorbująca energię i kierująca ją do miejsc wzbogaconych tlenem. Możemy stworzyć nanorurki, w których 80-90% emisji pochodzi z miejsc wzbogaconych - stwierdził Weisman. Testy laboratoryjne wykazały, że tak spreparowane nanorurki utrzymują swoje nowe właściwości przez wiele miesięcy. Weisman zaznacza, że dzięki temu odkryciu, nanorurki można wykrywać światłem niedostrzegalnym dla człowieka. Dlaczego jest to ważne? Ponieważ w wykorzystywanych w biologii systemach wykrywania, za każdym razem gdy posłużymy się światłem widzialnym uzyskamy nieco emisji z tła, z komórek i tkanek, co zaciemnia cały obraz. Korzystając z podczerwieni nie mamy tego problemu - wyjaśnia. Naukowcy przeprowadzili już odpowiednie testy dodając nanorurki do kultur ludzkich komórek. Po zastosowaniu podczerwieni nanorurki emitowały jasne światło i były łatwo dostrzegalne. Przy świetle widzialnym znacznie trudniej było określić miejsce, w którym się znajdują. http://www.youtube.com/watch?v=iVM_5ktGtnw

Od dawna czynione są zabiegi, żeby podtrzymać prawo Moore'a, które dla układów krzemowych wkrótce się załamie. Przypomnijmy sobie, że prawo to mówi, że gęstość upakowania elementów układów scalonych podwaja się co dwa lata. Tymczasem wytwórcy układów pamięci uważają, że nie da się zejść z wielkością elementu poniżej 10 nanometrów. Pamięci flash dotrą do nieprzekraczalnej bariery jeszcze szybciej - w ich przypadku to 20 nanometrów. Pojawia się jednak szansa: lekceważony do tej pory tlenek krzemu. Naukowcy z Rice Uniwersity już pokazali działający układ pamięci z elementami wielkości 10 nanometrów. W zeszłym roku zespołowi profesora Jamesa Toura udało się zademonstrować funkcjonujący bit pamięci w postaci grafitowego drucika grubości 10 nanometrów. Odpowiednio dobrane napięcie na zmianę przerywało połączenie i przywracało je na żądanie, mniejsze napięcie pozwalało oczywiście na odczyt stanu. To zwiastowało nowy rodzaj trwałej pamięci, choć wówczas nie wiedziano jeszcze, w jaki sposób to działa. Nic dziwnego jednak, że prace kontynuowano, a zajęli się nimi wspólnie z prof. Tourem: Douglas Natelson, Lin Zhong i Jun Yao. To właśnie Jun Yao wytrwale szukał materiałów mogących zastąpić grafit. Po serii eksperymentów zarzucił całkiem odmiany węgla oraz metale i skupił się na tlenku krzemu, który jest - w przeciwieństwie do krzemu - izolatorem. Niełatwo było mu przekonać innych do tego materiału, który jest jednym z najlepiej przebadanych związków w nauce. Nie uważano, żeby tlenek krzemu był przydatny do wytwarzania układów elektronicznych. Tymczasem właśnie jego wada - przebicia - stała się zaletą. Cienka warstwa tlenku krzemu, umieszczona pomiędzy warstwami z polikrystalicznego krzemu, pod wpływem przyłożonego napięcia, ulega przemianie. Atomy tlenu wypadają ze związku i pomiędzy elektrodami formuje się cienki łańcuch nanokryształów krzemu. Ten cienki drucik daje się przerywać i łączyć przy pomocy napięcia elektrycznego identycznie, jak nanodrucik z grafitu, a ma grubość zaledwie pięciu nanometrów. To genialne w swej prostocie rozwiązanie - chwalą pomysł inżynierowie Rice University. W przeciwieństwie do standardowych elementów pamięci, „bit" tlenku krzemu nie przechowuje ładunku, więc wymaga tylko dwóch, zamiast trzech połączeń. Warstwy układów pamięci mogą również być łatwo nakładane na siebie, pozwalając na tworzenie trójwymiarowych, miniaturowych i bardzo pojemnych struktur pamięci. Rozwiązanie ma też inne zalety: bardzo dużą szybkość przełączania (poniżej 100 nanosekund), bardzo dużą wytrzymałość oraz kompatybilność ze standardowymi układami krzemowymi. Oznacza to, że można je łatwo wdrożyć do zastosowań komercyjnych. Tlenek krzemu jest również odporny na promieniowanie, co oznacza przydatność w zastosowaniach militarnych i kosmicznych. Układy takie będą również odporne na przykład na rozbłyski słoneczne. Powstał już pierwszy, działający układ pamięci tlenko-krzemowej o pojemności jednego kilobajta. Tlenek krzemu jest już wykorzystywany prze firmę NuPGA - założoną na bazie patentów inżynierów Rice University - tworząca programowalne macierze bramek. Takie macierze z tlenku krzemu, umieszczone pomiędzy warstwami układów scalonych, pozwalają na programową rekonfigurację połączeń pomiędzy nimi. Szlak dla układów pamięci opartych na tlenku krzemu jest więc już przetarty i - miejmy nadzieję - pojawią się one jak najszybciej na rynku.

Gruźlica, w krajach rozwiniętych niemal zapomniana, w ubogich rejonach Azji czy Afryki wciąż zabija, Według Światowej Organizacji Zdrowia umiera na nią około 1,3 miliona osób rocznie. Wszystko przez brak środków finansowych na leczenie i diagnostykę. Problem diagnostyki być może niedługo znacznie się rozwiąże, dzięki pomysłowemu inżynierowi z amerykańskiego Uniwersytetu Rice'a. Komercyjny, laboratoryjny mikroskop fluorescencyjny pozwalający identyfikować prątki gruźlicy w wymazach kosztuje 40 tysięcy dolarów. Andrew Miller, obecnie absolwent Uniwersytetu Rice'a jest konstruktorem taniej, przenośnej wersji. Jego dzieło waży zaledwie około 1,25 kilograma i jest zasilane z baterii. Wykorzystał przy tym elementy dostępne w sklepach, na przykład źródłem światła jest latarka z diodami LED. Obudowa prototypu powstała na drukarce 3D, jakiej często używają majsterkowicze, kolejne egzemplarze zyskały obudowę z aluminium. Całość kosztowała zaledwie 240$ - niemal 200 razy taniej. Przy współpracy naukowców z Instytutu Badawczego Szpitala Metodystów (The Methodist Hospital Research Institute, TMHRI) przetestowano skuteczność przenośnego mikroskopu na próbkach 63, w tym 19 pobranych od chorych. Skuteczność wyniosła 98,4% i była równie dobra, jak tradycyjnego, stacjonarnego mikroskopu. Wynalazek, nazwany Global Focus zdobył doroczną nagrodę Hershel M. Rich Invention Award za 2009 rok, przyznawaną dla najlepszego wynalazku skonstruowanego na Uniwersytecie Rice'a. Po raz pierwszy w historii nagrodę tę zdobył projekt studenta. Dzieło Andrew Millera ma szansę zrewolucjonizować leczenie gruźlicy w rejonach, których nie stać na drogi sprzęt laboratoryjny i w których często nie ma nawet prądu. Obecnie trwają prace nad komercjalizacją wynalazku. Dwadzieścia testowych egzemplarzy wykonanych przy współpracy firmy 3rd Stone Design zostanie teraz poddanych próbom „terenowym". Inny studencki zespół tego samego uniwersytetu pracuje nad oprogramowaniem pomagającym mniej doświadczonym laborantom poprawnie interpretować wyniki rozmazów na obecność prątków gruźlicy. Program wykorzystujący przetwarzanie obrazu ma działać na urządzeniach przenośnych, jak smartfony.

Wraz z rozwojem i upowszechnianiem się nowoczesnych materiałów, zwłaszcza nanomateriałów, narastają obawy związane z ich wpływem na środowisko naturalne. Trudno bowiem ocenić, jakie ewentualne szkody mogą poczynić takie materiały jak grafen, czy tlenek grafenu, które mają coraz więcej zastosowań, a zarazem coraz tańsza jest ich masowa produkcja. Wszystkie produkty przecież kiedyś trafią na wysypisko. Naukowcy z Uniwersytetu Rice'a opracowali doskonałą, naturalną metodę eliminacji tlenku grafenu (graphen oxide, GO). Co więcej, w przyszłości potencjalnie może stać się możliwe wykorzystanie jej do usuwania innych tlenków metali. Andreas Lüttge i Everett Salas proponują, żeby do neutralizacji GO wykorzystywać bakterie z rodzaju Shewanella (z rodziny Shewanellaceae). Naukowcy zajmowali się już oddziaływaniem bakterii na różne odmiany węgla, włączenie do badań tlenku grafenu wydawało się naturalne. Shewanella, powszechne wodne bakterie, posiadają unikatową zdolność rozkładania tego materiału i przerabiania go na nieszkodliwy dla środowiska minerał. Bakterie te występują naturalnie zarówno w morzach i oceanach, jak i wodach słodkich, środowisku błotnym, odnajdywane są nawet w kopalniach uranu i roponośnych odwiertach. Nie trzeba zatem kłopotać się ich rozpowszechnianiem, nie ma też obaw, że zakłócą gdzieś równowagę ekologiczną. Nie do końca jeszcze wiadomo, jaki mechanizm odpowiada za zdolność Shewanelli do redukowania tlenku grafenu. Bakterie z tego rodzaju wytworzyły wyjątkową umięjętność „oddychania" tlenkami metali, również w stanie stałym. Potrafią metabolizować nie tylko GO, ale także związki żelaza, chromu, uranu i arsenu - zamieniając je na przyjazne środowisku minerały. Wykorzystanie ich do eliminowania zanieczyszczeń za pomocą bioremediacji wydaje się mieć zatem bardzo szerokie perspektywy. Shewanella są, według określenia Salasa, organizmami wywróconymi „na nice", środkiem na zewnątrz. Procesy, jak oddychanie które w normalnych komórkach przebiegają wewnątrz, u tych bakterii odbywają się na powierzchni. To właśnie ta szczególna cecha pozwala im metabolizować tlenki metali czy tlenek grafenu. Z tej ich właściwości zdano sobie sprawę zaledwie kilka miesięcy temu, nie jest zatem jeszcze prawie wcale zbadana. Mimo, że to jeszcze w znacznym stopniu nieznany teren, laboratorium Andreasa Lüttge pracuje nad jeszcze innymi zastosowaniami tych niezwykłych bakterii. We współpracy z Biurem Badań Naukowych Sił Powietrznych USA (Air Force Office of Scientific Research) oraz jego Inicjatywą Interdyscyplinarych Badań Uniwersyteckich (Multidisciplinary University Research Initiative, MURI) badane są interakcje pomiędzy Shewanellami a grafitowymi elektrodami i potencjalne możliwości stworzenia „bakteryjnych" ogniw zasilających.

Tlenek grafenu to materiał mający potencjalnie równie szerokie zastosowania, jak sam grafen. Niestety, do tej pory jego produkcja była kosztowna i bardzo szkodliwa dla środowiska. Obie te wady usuwa komercyjna technologia opracowana na amerykańskim Uniwersytecie Rice'a. W przeciwieństwie do grafenu jego tlenek jest izolatorem, ale może być łatwo przekształcony w przewodnik lub półprzewodnik. Można z niego wytwarzać bardzo wytrzymały materiał zastępujący papier, polimery, stopy metali, ceramikę, cienkie błony dla przemysłu elektronicznego. Jako dobrze rozpuszczalny w wodzie posiada też inne zastosowania, na przykład do produkcji polimerów, nośników lekarstw, magazynowania wodoru, odzyskiwania ropy i gazu. Tlenek grafenu znano już w XIX wieku, ale do niedawna jego masowa produkcja była utrudniona i wymagała użycia substancji wysoce toksycznych lub wybuchowych. Wykorzystywano do tego chloran potasu lub azotan sodu - obie substancje powodowały powstawanie dużych ilości trujących gazów, jeden z nich, dwutlenek chloru jest ponadto materiałem wybuchowym. Ze względu na ryzyko producenci niechętnie sięgają po technologie łączące się z takim niebezpieczeństwem. Chemicy z Uniwersytetu Rice'a pod kierunkiem Jamesa Toura opracowali nową metodę, pozbawioną tych trudności. Proces ten podobny jest do istniejącego już „rozcinania" wielościennych nanorurek z grafenu. Drobne, cienkie płatki grafitu poddawane są działaniu nadmanganianu potasu, kwasu siarkowego i kwasu fosforowego, chemikaliów powszechnie dostępnych i niedrogich. Nowa technologia pozwala na masową produkcję tlenku grafenu i jest wysoce konkurencyjna wobec dotychczasowych metod. Jest ponadto bezpieczna i nieszkodliwa dla środowiska. Badania prowadzono we współpracy z firmą M-I SWACO, producentem płuczki wiertniczej, która chce wykorzystać tlenek grafenu do powiększenia produktywności odwiertów.

Uczeni z Rice University znaleźli rozpuszczalnik dla wszystkich typów węglowych nanorurek. To przełomowy krok w kierunku stworzenia kwantowego przewodu elektrycznego o bardzo dobrych właściwościach. Ten tak zwany armchair quantum wire był postulowany przez wybitnego fizyka i chemika, odkrywcę fullerenów Richarda Smalleya. Przewód taki ma przewodzić prąd wielokrotnie lepiej niż miedź, być od niej kilkukrotnie lżejszy, niepodatny na rozszerzanie się pod wpływem ciepła, a jednocześnie bardziej wytrzymały niż stal. Nanorurki mają tendencję do zbijania się w roztworze w grupy, co czyni je trudnymi w użyciu. Po wielu latach zespół pod kierunkiem Matteo Pasqualego odkrył, jak zapobiegać zbijaniu się. Pasquali, Nicholas Parra-Vasquez oraz ich koledzy poinformowali, że nanorurki o długości pół milimetra rozpuszczają się w kwasie chlorosulfonowym. Daje to nadzieję na wykorzystanie długich nanorurek do produkcji kabli. Obecnie stosowane metody rozpuszczania nanorurek zakładają użycie surfaktantów podobnych do mydła, dodawanie metali alkalicznych, dołączanie do nich niewielkich grup chemicznych czy też rozpuszczanie ich w bardzo małych ilościach. Metody te nie pozwalają jednak na produkcję włókien z nanorurek, gdyż niszczą ich właściwości albo poprzez dodanie kolejnych atomów, albo poprzez skrócenie samych nanorurek. Już przed kilkoma laty uczeni z Rice zauważyli, że kwas chlorosulfonowy dobrze rozpuszcza nanorurki. Od tamtego czasu pracowali nad stworzeniem odpowiedniej metody pracy z nim. Po latach pracy uzyskali idealny roztwór nanorurek, który właściwościami bardzo przypomina roztwory wykorzystywane w przemyśle do wyciągania włókien wysokiej jakości. Stworzony roztwór zaskoczył samych uczonych. Dotychczas sądzili bowiem, że opracowywana przez nich metoda będzie przydatna jedynie podczas pracy z krótkimi nanorurkami o jednej ścianie. Tymczasem okazało się, że można ją wykorzystać z każdym typem nanorurek, niezależnie od ich długości i typu. Wystarczy dodać nanorurki do kwasu chlorosulfonowego, a dobrze się one rozpuszczą, nawet bez mieszania - mówi Parra-Vasquez chcąc zobrazować, jak prosty jest to proces. Naukowców szczególnie cieszy fakt, że można pracować z długimi nanorurkami. Właściwości nanokabli zależą bezpośrednio od długości pojedynczej nanorurki. Pasquali twierdzi, że już teraz nanokable mogą być o cały jeden lud dwa rzędy wielkości lepsze, od obecnie wykorzystywanych. Najbliższym celem naukowców jest wyprodukowanie dużej ilości bardzo długich nanorurek o jednej ściance i stworzenie z nich kabla postulowanego przez Smalleya.

Grafen wydaje się być materiałem jutra. Dopiero niedawno odkryto, jak produkować go metodami przemysłowymi, a pomysły i koncepcje na jego wykorzystanie w elektronice, czy nanotechnologii trudno zliczyć. A będzie ich jeszcze więcej, ponieważ nie tylko sam grafen obiecuje wielorakie zastosowania, trwają prace nad jego modyfikacjami i materiałami pokrewnymi. Jak wiadomo, grafen to płachta z atomów węgla ułożonych jedną warstwą, heksagonalną strukturą przypominająca plaster miodu. Grubość jednego atomu nadaje jej różne ciekawe właściwości. Można je zmieniać, na przykład wprowadzając do jego struktury atomy innych pierwiastków, albo powlekając go inną warstwą. W taki sposób - poprzez nałożenie na obie strony grafenowej płachty atomów wodoru - powstaje inny materiał: grafan, złożony z trzech jednoatomowych warstw. Materiał taki z przewodnika staje się izolatorem. Ale to nie koniec pomysłów. Boris Yakobson, wykładowca inżynierii mechanicznej i materiałowej i chemii na Uniwersytecie Williama Rice'a odkrył bardzo ciekawe właściwości grafanu. Zaproponowana przez niego modyfikacja to usunięcie pojedynczych atomów wodoru lub ich grup z obu stron materiału. „Dziury" takie zawsze zachowują kształt sześciokąta i wyraźne granice. Co ważniejsze, stają się w ten sposób kwantowymi kropkami, których parametry można dokładnie dobierać poprzez zmianę ich rozmiaru. Kwantowe kropki to krystaliczne cząstki o rozmiarach atomowych, reagujące na światło i pole magnetyczne w unikatowy sposób. Mogą służyć na przykład jako czujniki chemiczne, pułapki na pojedyncze, określone cząsteczki, jako ogniwa słoneczne, nanoukłady, itp. Jednym zdaniem: otwierają szerokie pole dla nowatorskich technologii w nanoskali. Zaproponowany przez prof. Yakobsona sposób ich wytwarzania byłby małą rewolucją. Możliwość dokładnego dostosowywania ich parametrów, a więc właściwości, dałaby olbrzymie możliwości konstruowania nowych materiałów i urządzeń. Prawdopodobnie byłby to najlepszy materiał do tworzenia kwantowych kropek. Jego wyjątkowe właściwości optyczne już są brane pod uwagę przy projektowaniu układów optoelektronicznych, czy półprzewodnikowych laserów. Niestety, na razie są to konstrukcje teoretyczne, nie ma bowiem gotowej technologii precyzyjnego usuwania atomów wodoru z grafanowej matrycy. Jednak Abhishek Singh i Evgeni Penev, współautorzy pracy na ten temat, uważają, że nie jest to problem. Stworzenie odpowiedniej technologii to ich zdaniem jedynie kwestia czasu i zajęcia się tematem, zwłaszcza, że cel jest określony. Eksperymenty już są przeprowadzane w kilku ośrodkach i choć autorzy pomysłu nie są w stanie powiedzieć, kiedy ich koncepcja zostanie wcielona w życie, uważają, że to niedługo.

Grafen, który ma w przyszłości zmienić oblicze elektroniki, jest bardzo trudny w produkcji. Wkrótce może się to zmienić, dzięki najnowszym osiągnięciom zespołu z Rice University i Izraelskiego Instytutu Technologii Technion. Profesor Matteo Pasquali z Rice, który przewodził grupie badaczy, mówi: Istnieją wydajne metody produkcji tlenku grafenu, który nie jest tak dobrym przewodnikiem jak grafen, oraz mało wydajne metody produkcji czystego grafenu. Nasza metoda pozwalana wytworzenie bardzo czystego materiału i korzysta z wydajnego procesu produkcyjnego, od dawna używanego w przemyśle chemicznym. Naukowcy stwierdzili, że grafit można rozpuszczać w kwasie chlorosiarkowym i szukali nowych metod pomiaru właściwości takiego roztworu. W trakcie prac okazało się, że kwas spowodował, iż z grafitu spontanicznie oddzieliły się warstwy tworzącego go grafenu. Dalsze prace pozwoliły na rozpuszczenie aż dwóch gramów grafenu w litrze kwasu, co oznacza co najmniej 10-krotnie większą wydajność pozyskiwania grafenu, niż w dotychczas stosowanych metodach. Następnie, by zbadać jakość grafenu, uczeni wynaleźli nowatorką technikę kriogeniczną, potrzebną do obrazowania warstw grafenu w kwasie za pomocą mikroskopu elektronowego. Badania wykazały wysoką czystość uzyskanego materiału. Następnie udało się uzyskać z niego przezroczyste warstwy, które przewodziły prąd. Te mogą posłużyć do produkcji wyświetlaczy dotykowych, tańszych niż obecnie używane urządzenia. Jakby tego było mało, naukowcom udało się również wyprodukować ciekłe kryształy. Jeśli potrafisz zrobić ciekłe kryształy, możesz wyciągnąć włókna. W ciekłych kryształach poszczególne warstwy układają się w domeny, a mając informacje na temat ich ułożenia możesz wykorzystać krawędzie materiału do tworzenia włókien - mówi James Tour, jeden z autorów badań. Teraz pozostaje mieć nadzieję, że nowo opracowana metoda pozwoli produkować grafenowe włókna na skalę przemysłową.

Co łączy suszarkę do sałaty z wirówką laboratoryjną? Wydawać by się mogło, że niewiele, ale dwie studentki Rice University wyszły z innego założenia i z koszyczka do osuszania liści, plastikowych przesłon i pojemników po jogurcie stworzyły dzięki pistoletowi na klej urządzenie, które może ocalić wiele istnień w krajach Trzeciego Świata i nie tylko. Lila Kerr i Lauren Theis opracowały niewymagającą dostępu do prądu uproszczoną wersję wirówki do krwi Sally Centrifuge. Już wkrótce aparatura przejdzie 2-miesięczny chrzest bojowy w ramach uniwersyteckiej inicjatywy wspierania medycznego państw rozwijających się Poza Tradycyjnymi Granicami (Beyond Traditional Borders, BTB). Jedna z wirówek pojedzie pod koniec maja do Ekwadoru, a dwie kolejne trafią w czerwcu do Malawi i Suazi. W tym roku trzeba było zrealizować całą gamę projektów i na szczęście my podjęłyśmy się czegoś, co nie wymagało intensywnych prac inżynieryjnych – wyjaśnia Kerr. Zasadniczo powiedziano nam, by znaleźć sposób na zdiagnozowanie anemii bez prądu. Rozwiązanie powinno być tanie, a urządzenie przenośne – uzupełnia wypowiedź koleżanki Theis. Dziewczyny ustaliły, że do tego celu najlepiej nadaje się suszarka do sałaty. Kiedy na 10 minut umieści się w niej wypełnione krwią rurki kapilarne o pojemności 15 mikrolitrów, dojdzie do rozwarstwienia materiału na cięższe erytrocyty i lżejsze osocze. Hematokryt, czyli stosunek objętości czerwonych krwinek do objętości całej krwi, powie specjaliście, czy badana osoba ma anemię, czy nie (to bardzo ważne dla ustalenia, czy ktoś jest niedożywiony, choruje na gruźlicę lub AIDS). Suszarka obraca probówkami do 950 razy na minutę. W pomysłowym urządzeniu zmieści się 30 kapilar naraz. Całość jest nader wytrzymała i kosztuje ok. 30 dolarów. Kerr opowiada, że co prawda wirówki nie testowano w terenie, ale przetrwała bez najmniejszego uszczerbku wycieczki po kampusie w plecaku i plastikowej reklamówce.

Boris Yakobson, fizyk z Rice University, i jego studenci opracowali teoretyczny model pokazujący, że fale dźwiękowe wędrujące w grafenie mogą wspomagać chłodzenie układów elektronicznych. Z dokonanych obliczeń wynika, że grafen może transportować energię cieplną w postaci fali. Można do jej transportu wykorzystać falę dźwiękową, która w grafenie wędruje szybko i daleko, a umożliwiałaby sprawne usuwanie nadmiaru ciepła. Oczywiście, jak zauważa Yakobson, skala jest tak mała, iż człowiek nie słyszałby żadnych dźwięków. Współautor opracowania, Enrique Munoz, stwierdza, że dzięki szczególnym właściwościom fononów - dźwiękowych odpowiedników fotonów - grafen może aż 10-krotnie bardziej wydajnie przewodzić ciepło niż miedź czy złoto. Naukowcy zauważają, że nie wystarczy po prostu przesłać fali dźwiękowej przez grafen. Trzeba dokładnie określić w jaki sposób ciepło w nim wędruje i tam, gdzie ma ono opuścić układ chłodzący, konieczne jest zastosowanie ośrodka gazowego lub ciekłego, w którym się rozproszy. W przeciwnym razie fala się odbije. Dlatego też swój teoretycznie opracowany system porównują do ciepłowodów

Amerykański rynek tworzyw sztucznych jest warty 300 miliardów dolarów dzięki temu, że tworzywa można przetwarzać w postaci płynnej. Warzywniaki używają plastikowych torebek zamiast papierowych, a ubrania z poliestru są tańsze od tych z bawełny, ponieważ polimery mogą być rozpuszczane i przetwarzane w formie płynnej. Przetwarzanie nanorurek w postaci płynnej daje możliwość wykorzystania procesów technologicznych, które zostały opracowane na potrzeby polimerów - mówi profesor Matteo Pasquali, jeden z twórców rewolucyjnej metody przetwarzania nanorurek. Po dziewięciu latach pracy grupa naukowców, wśród których był zmarły laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii Richard Smalley, ogłosiła dokonanie przełomu. Uczonym udało się opracować technologię, która umożliwia przetwarzanie węglowych nanorurek na skalę przemysłową. Ich najnowsze prace opierają się na okryciu w 2003 roku metody rozpuszczania dużych ilości czystych nanorurek w silnych kwasach, takich jak np. kwas siarkowy. Z czasem okazało się, że nanorurki w takich roztworach łączą się tworząc rodzaj płynnych kryształów w kształcie spaghetti, które następnie można rozdzielać na pojedyncze włókna grubości ludzkiego włosa. Nasze odkrycie pozwala na przeprowadzenie efektywnego procesu przemysłowego dla nanorurek - mówi Wade Adams, jeden z odkrywców. Badania wykazały, że najlepszym rozpuszczalnikiem dla nanorurek jest kwas chlorosulfonowy - dodaje. Od czasu dokonania odkrycia z 2003 roku uczeni badali różne kwasy i różne stężenia, by znaleźć ten, który będzie jak najlepiej współpracował z nanorurkami. Podczas tych eksperymentów porównywano też zachowanie kwasów i nanorurek z zachowaniem polimerów podczas procesów przemysłowych, opracowując jednocześnie podstawy teoretyczne i praktyczne konieczne do wdrożenia produkcji na skalę przemysłową. Amerykanom pomagali naukowcy z izraelskiego Instytutu Technologii Technion. Ishi Talmon i jego koledzy z Technion wykonali najważniejszy krok, który pozwolił nam na zdobycie bezpośredniego dowodu na to, że nanorurki rozpuszczają się spontanicznie w kwasie chlorosulfonowym. By tego dokonać musieli opracować eksperymentalną technologię bezpośredniego obrazowania zeszklonych szybko zamrożonych roztworów kwasowych - informuje profesor Pasquali. Węglowe nanorurki odkryto w 1991 roku i od tamtej pory budzą olbrzymie nadzieje. Naukowcy chcą je wykorzystać zarówno do leczenia nowotworów, jak i do produkcji energii. Jednak nanorurki to bardzo niewdzięczny materiał. Trudno je nie tylko wyprodukować, ale i pracować z nimi. Jednak naukowcy od lat eksperymentują, gdyż są niezwykle obiecujące. Nanorurki mogą przewodzić prąd, zachowywać się jak przewodniki i półprzewodniki, można je ogrzewać za pomocą fal radiowych i wykorzystać do niszczenia guzów nowotworowych, mogą być wypełnione lekarstwami, które dostarczą w dokładnie oznaczone miejsce, są sześciokrotnie lżejsze od stali, ale 100-krotnie bardziej wytrzymałe. Kevlar, polimer wykorzystywany w kamizelkach kuloodpornych, jest od 5 do 10 razy bardziej wytrzymały, niż najmocniejsze włókno z nanorurek, które możemy obecnie wyprodukować. Jednak teoretycznie możemy wyprodukować włókna nanorurkowe 100-krotnie wytrzymalsze. Jeśli uda się nam wykorzystać chociażby 20% ich potencjału zyskamy wspaniały materiał, być może najbardziej wytrzymały ze wszystkich znanych - mówi Pasquali. Specjaliści oceniają, że w nadchodzącej dekadzie światowy rynek nanorurek będzie wart co najmniej 2 miliardy dolarów rocznie. Naukowców czeka jeszcze sporo pracy. Na całym świecie próbuje się opracować metodę wytwarzania identycznych nanorurek o zadanych właściwościach. Obecnie, jak mówi Pasquali, jedną z głównych zalet opracowanego procesu jest możliwość wyprodukowania w ciągu kilku dni grama nanorurkowych włókien z grama nanorurek.

Fizycy z Rice University odkryli nowe właściwości w jednym z najlepiej znanych i zbadanych przez człowieka minerałów – magnetycie. Po schłodzeniu do temperatury niższej niż -157 stopni Celsjusza magnetyt z izolatora zmienił się w przewodnik. To fascynujące, że taki materiał, który jest badany przez człowieka od tysięcy lat, wciąż kryje zagadki – mówi Doug Natelson, profesor fizyki i astronomii. To odkrycie pokazuje nam, czego możemy dokonać dzięki nowoczesnym urządzeniom pozwalającym badać materiały w skali nano – dodaje. Magnetyczne właściwości minerału zostały udokumentowane w Chinach ponad 2000 lat temu, a przed 900 laty Chińczycy budowali kompasy, w których wykorzystywano magnetyt. Fizycy od ponad 60 lat wiedzą, że elektryczne właściwości magnetytu zmieniają się w niskich temperaturach. Teraz odkryli, że przykładając do minerału odpowiednio wysokie napięcie, zmieniają go z isolatora w przewodnik. Po zmniejszeniu napięcia magnetyt znowu staje się izolatorem. Na razie naukowcy nie wiedzą, co powoduje takie przełączanie się stanów tego materiału. Mają nadzieję, że dalsze badania rzucą nieco światła na tę zagadkę. Prace nad magnetytem mają jak najbardziej praktyczne znacznie. Materiały zmiennofazowe są coraz powszechniej stosowane w elektronice i przez najbliższe lata będą odgrywały w niej olbrzymią rolę.