Znajdź zawartość

Ku zaskoczeniu amerykańskich naukowców okazało się, że nawilżaczem w implantach stawów biodrowych typu metal-metal jest grafit, nie białka. Wiedza ta pozwoli zaprojektować lepsze materiały do implantów, które będą mniej podatne na zużycie. Zespół złożony ze specjalistów z Northwestern University, Centrum Medycznego Rush University oraz Universität Duisburg-Essen odkrył, że kluczowym składnikiem lubrykantu z powierzchni implantu typu metal-metal jest grafit. Nawilżacz jest zatem bardziej podobny do występującego w silniku spalinowym niż w naturalnym stawie. Materiały protetyczne stawów biodrowych (metale, polimery i ceramika) wytrzymują przeważnie powyżej 10 lat. Po upływie dekady mamy jednak do czynienia ze zwiększoną częstotliwością uszkodzeń, zwłaszcza u młodych, aktywnych osób. Nic dziwnego więc, że marzeniem ortopedów jest wydłużenie żywotności implantów stawów biodrowych do 30-50 lat. Najlepiej zaś, by służyły pacjentowi do końca życia. Teraz, gdy zaczynamy rozumieć, jak przebiega nawilżanie tych implantów w organizmie, mamy punkt zaczepienia, żeby je ulepszyć - podkreśla prof. Laurence D. Marks. Wcześniejsze badania 2 członków ekipy, Alfonsa Fischera z Universität Duisburg-Essen i Markusa Wimmera z Centrum Medycznego Rush University, wykazały, że nawilżająca warstwa tworzy się na metalowych stawach w wyniku tarcia (następuje tzw. zużycie trybologiczne). Kiedy już powstanie, zmniejsza tarcie, a także ogranicza zużycie i korozję. Autorzy opracowania opublikowanego w Science porównują film graniczny protezy do cienkiej warstewki wody pozwalającej łyżwiarzowi ślizgać się po lodzie. Naukowcy wiedzieli więc już o istnieniu warstwy smarującej, która występuje zarówno na powierzchni głowy, jak i panewki, dotąd nie mieli jednak pojęcia, z czego jest ona zbudowana. Zakładano, że to białka albo inna substancja występująca w organizmie. Zespół złożony ze specjalistów z wielu dziedzin badał 7 implantów, pobranych od pacjentów z różnych względów. Akademicy posłużyli się m.in. mikroskopami optycznymi i elektronowymi. Spektra utraty energii elektronów wskazały na grafit. Bazując na tym i na innych dowodach, naukowcy doszli do wniosku, że warstwa nawilżająca składa się głównie z grafitu.

Profesor Wuzong Zhou ze szkockiego Uniwersytetu św. Andrzeja odkrył, że podczas palenia świecy w każdej sekundzie w płomieniu powstaje ok. 1,5 mln nanocząstek diamentu. Świece wynaleziono ponad 2 tys. lat temu w starożytnych Chinach, trzeba było jednak współczesnego zakładu z kolegą po fachu, by rozszyfrować tajemnice związane z ich spalaniem. Kolega z innego uniwersytetu powiedział do mnie: "Nikt, oczywiście, nie wie, z czego tak naprawdę składa się płomień świecy". Odpowiedziałem mu, że nauka może ostatecznie wyjaśnić wszystko, dlatego postanowiłem spróbować. Podczas eksperymentów profesorowi asystował student Zixue Su. Dzięki technice próbkowania wynalezionej przez Zhou naukowcy byli w stanie pobrać cząstki z centralnej części płomienia. Dodajmy, że wcześniej nikomu się to jeszcze nie udało. Okazało się, że znajdowały się tam cztery odmiany alotropowe węgla: diament, grafit, węgiel amorficzny i fulereny (choć część naukowców podkreśla, że w przypadku tych ostatnich poprawnie za odmianę alotropową należy uznać kryształ fuleryt, który składa się z cząsteczek fulerenów). To spore zaskoczenie, ponieważ każda z form powstaje zazwyczaj w innych warunkach. W dolnej części płomienia występują węglowodory, które po drodze na szczyt ulegają w wyniku różnych reakcji przekształceniu w dwutlenek węgla. Co się jednak dokładnie dzieje w międzyczasie, chemicy nie wiedzieli. Zhou i Su ustalili, że w centrum płomienia znajdują się nanocząstki diamentów, fulereny, a także grafit i węgiel amorficzny. Akademicy z University of St Andrews uważają, że ich odkrycie może pozwolić opracować tańsze i bardziej przyjazne dla środowiska metody pozyskiwania diamentów, które jak wiadomo, są cennym materiałem przemysłowym. Niestety, cząstki diamentu są spalane i przekształcane w dwutlenek węgla, ale nasze ustalenia na zawsze zmienią sposób, w jaki postrzegamy płomień świecy.

Na University of Technology w Sydney powstaje tzw. grafenowy papier - stworzony z grafitu materiał, który jest cienki jak papier i 10-krotnie bardziej wytrzymały niż stal. Pojawienie się takiego materiału będzie miało olbrzymi wpływ na przemysł samochodowy, lotniczy czy elektryczny. Profesor Guoxiu Wang i jego zespół z UTS opracowali technologię wytwarzania grafenowego papieru ze zmielonego grafitu poddanego procesom oczyszczania i filtrowania, dzięki którym powstał nanomateriał o zadanych właściwościach. Składa się on z pojedynczej warstwy sześcioatomowego węgla, a dzięki odpowiedniemu dobraniu struktury papieru osiągnięto świetne właściwości termiczne, elektryczne i mechaniczne. W porównaniu ze stalą nowy materiał jest sześciokrotnie lżejszy, ma pięć do sześciu razy mniejszą gęśtość, jest dwukrotnie twardszy, 13-krotnie bardziej elastyczny i 10-krotnie bardziej wytrzymały na rozciąganie. Dzięki niemu mogą powstać lżejsze i bardziej wytrzymałe samochody oraz samoloty, które będą zużywały mniej paliwa i wydzielały mniej spalin. Australijskie odkrycie przysłuży się też australijskiemu górnictwu. Miejscowe kopalnie zawierają bowiem olbrzymie ilości grafitu, który jest potrzebny do produkcji grafenowego papieru.

Uczeni odkryli nowy typ tarcia, który zachodzi tylko pomiędzy nanocząsteczkami. "Balistyczne nanotarcie" odkryto w laboratorium, podczas ześlizgiwania cząstek złota po grafitowej powierzchni. Nowy rodzaj tarcia powodował, że złoto poruszało się całkowicie inaczej niż większe ślizgające się obiekty. Eksperymenty wykazały, że na ześlizgujące się po graficie złoto nie podlega znoszeniu ani ruchom Browna, które normalnie w nanoskali są istotnymi zjawiskami. Dlatego też szybkie ześlizgiwanie się cząstek złota nazwano "balistycznym". Ruch złota nie odbywał się jednak bez zakłóceń. Gdy cząstki trafiały na obszar fluktuacji termicznych, część energii zamieniała się w ruch obrotowy. Gdy natomiast już na początku powolnego ześlizgiwania się cząsteczkom celowo nadano rotację, to po napotkaniu obszaru fluktuacji termicznych, ruch rotacyjny zatrzymywał się, a ześlizgiwanie ulegało nagłemu przyspieszeniu. Naukowcy zwracają uwagę, że podobne zjawiska można obserwować tylko w przypadku niewielkich ilości materii, które poruszają się dość szybko. Prace nad siłami działającymi w nanoskali są niezwykle istotne dla przyszłego rozwoju techniki. Projektując nanomaszyny inżynierowie będą musieli brać pod uwagę właśnie takie zjawiska, jak opisane powyżej.