Znajdź zawartość
Wyświetlanie wyników dla tagów 'nanorurki' .
Znaleziono 44 wyników
-
Naukowcy z MIT-u odkryli nieznane dotychczas zjawisko, powodujące, że w węglowych nanorurkach powstają potężne fale energii. Uczeni są zdania, że może to pomóc w stworzeniu nowej metody produkcji elektryczności. Zjawisko nazwano "falami termomocy" (thermopower waves). Badania przeprowadzone przez zespół pracujący pod kierunkiem Wonjoon Choi wykazały, że fale cieplne przesuwające się przez mikroskopijny przewód mogą spowodować powstanie napięcia elektrycznego. Uczeni z MIT przeprowadzili eksperyment, podczas którego nanorurki pokryto warstwą paliwa. Następnie podpalano je za pomocą lasera bądź iskry elektrycznej. Powodowało to pojawienie się szybko wędrującej fali cieplnej. Przesuwała się ona tysiące razy szybciej, niż spalało się paliwo. W temperaturze 3000 kelvinów fala cieplna była 10 000 razy szybsza niż reakcja spalania. Okazało się, że spowodowała ona pojawienie się sporego napięcia elektrycznego. Co prawda uczeni od ponad 100 lat matematycznie badają fale cieplne, ale to profesor Michael Strano, główny autor artykułu opisującego badania, jako pierwszy przewidział, że fala cieplna wysłana przez nanorurkę bądź nanokable może doprowadzić do pojawienia się prądu elektrycznego. Jednak wynik eksperymentów zaskoczył naukowców. Po początkowym udoskonaleniu całego systemu okazało się, że na jednostkę masy uwalnia on 100-krotnie więcej energii niż współczesne baterie litowo-jonowe. Co prawda wiele półprzewodników po podgrzaniu wydziela energię elektryczną (tzw. zjawisko Seebecka), jednak w węglu jest ono niezwykle słabe. Stąd też zaskoczenie naukowców, gdy okazało się ono znacznie bardziej potężne niż przewidywały jakiekolwiek obliczenia. Profesor Strano informuje, że na jego wzmocnienie wpływa olbrzymia prędkość poruszania się fali cieplnej. Jako, że odkrycie zostało właśnie dokonane, trudno przewidzieć jego zastosowania. Strano uważa, że być może posłuży ono do zasilania urządzeń wielkości ziarnka ryżu, które będą wstrzykiwane do ciała ludzkiego czy czujników środowiskowych rozsiewanych w powietrzu jak kurz. Teoretycznie energia w takich urządzeniach nie wyczerpywałaby się tak długo, jak długo by się ich nie używało. W obecnie używanych bateriach energia stopniowo zanika, nawet gdy ich nie używamy. Naukowcy chcą też sprawdzić kolejny aspekt swojej teorii. Prognozują, że jeśli nanorurki zostaną pokryte różnym rodzajem paliwa, to fala cieplna będzie oscylowała i powstanie prąd zmienny. To z kolei rodzi nowe możliwości. Prąd zmienny jest bowiem podstawą istnienia fal radiowych, ale obecne urządzenia do przechowywania energii dostarczają prądu stałego. Co więcej, nowy system może zostać jeszcze znacznie ulepszony, gdyż... jest mało efektywny. Bardzo duża część energii jest tracona w postaci energii cieplnej i świetlnej. Zespół z MIT-u będzie pracował nad udoskonaleniem swojego wynalazku. Profesor Ray Baughman, dyrektor Nanotech Institute z University of Texas jest pod kolosalnym wrażeniem odkrycia. Zaczęło się od szalonego pomysłu na seminarium, a zakończyło niezwykłymi wynikami eksperymentu, odkryciem nowego zjawiska, pozwoliło zrozumieć je na gruncie teoretycznym i otworzyło nowe możliwości - powiedział dodając, że dzięki temu powstaje nowe, ekscytujące pole do badań.
-
Najbardziej obfitym i najłatwiej dostępnym źródłem odnawialnej energii jest Słońce. Jednak dotychczas, by wykorzystać jego potencjał, konieczne jest wykonanie wielu kroków pośrednich, które w efekcie pozwolą np. napędzać maszynę dzięki energii pozyskanej z naszej gwiazdy. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley stworzyli proste, wodne maszyny napędzane bezpośrednio przez Słońce. Teoretycznie można je skalować tak, by otrzymać pompy generujące energię. "Słoneczne maszyny" działają dzięki zjawisku napięcia powierzchniowego. Molekuły wody silnie na siebie oddziałują i, jak się okazało, można to oddziaływanie wykorzystać do poruszania obiektów po powierzchni wody. Urządzenia z Berkeley to kawałki przezroczystego plastiku, którego najdłuższa krawędź ma około centymetra. Pokryto je paskami ułożonych wertykalnie węglowych nanorurek. Jeśli teraz na taką maszynę pada światło Słońca, nanorurki się podgrzewają i ogrzewają wodę wokół. To zmniejsza napięcie powierzchniowe z jednej strony kawałka plastiku, który w efekcie jest odpychany od miejsca o niższym napięciu. Prace nad poruszanymi światłem słonecznym maszynami prowadzili Alex Zettl, profesor fizyki materii skondensowanej oraz profesor chemii i inżynierii chemicznej Jean M. J. Frechet. Profesor Zettl mówi, że warto je kontynuować, gdyż siły napięcia powierzchniowego są bardzo duże, a więc być może uda się je wykorzystać. Uczeni zademonstrowali dwie maszyny. Pierwsza z nich to łódka z nanorurkami przylepionymi z tyłu. Po oświetleniu nanorurek płynęła ona do przodu. Maksymalne prędkość łódki o długości 1 cm wynosiła 8 centymetrów na sekundę. Druga z maszyn to prosty wirnik. Do każdego z jego czterech skrzydeł przymocowano z jednej strony nanorurki. Po wystawieniu na działanie światła słonecznego kręcił się on z prędkością około 70 obrotów na minutę. Zettl i Frechet rozpoczęli swoje eksperymenty od małych obiektów, ponieważ poruszanie ich po wodzie stanowi poważne wyzwanie. W tej skali występujące turbulencje stanowią poważną przeszkodę. Ponadto w nanoskali napięcie powierzchniowe działa silniej niż grawitacja. Obaj uczeni mają nadzieję, że ich prace przyczynią się do powstanie przydatnych w medycynie miniaturowych urządzeń napędzanych laserem i korzystających z napięcia powierzchniowego płynów ustrojowych. Chcieliby też stworzyć nanowirniki do generatorów energii elektrycznej. Planują również wybudowanie dużej łodzi, która, po umieszczeniu z tyłu soczewek i nanorurek, byłaby napędzana Słońcem. Dean Alhorn, pracujący w NASA nad napędzanym słońcem satelitą NanoSail-D chwali prace swoich kolegów. Zauważa jednak, że muszą jeszcze dowieść, iż siła Słońca i napięcia powierzchniowego jest na tyle duża, by np. pokonać fale na otwartym akwenie.
-
Przechowywanie energii słonecznej w postaci chemicznej ma tę przewagę nad przechowywaniem jej w elektrycznych akumulatorach, że energię taką można zachować na długi czas. Niestety, taki sposób ma też i wady - związki chemiczne przydatne do przechowywania energii ulegają degradacji po zaledwie kilku cyklach ładowania/rozładowywania. Te, które nie degradują, zawierają ruten - rzadki i drogi pierwiastek. W 1996 roku udało się znaleźć molekułę - fulwalen dirutenu - która pod wpływem światła słonecznego przełącza się w jeden stan i umożliwia kontrolowane przełączanie do stanu pierwotnego połączone z uwalnianiem energii. W ubiegłym roku profesor Jeffrey Grossman wraz ze swoim zespołem z MIT-u odkryli szczegóły działania fulwalenu dirutenu, co dawało nadzieję na znalezienie zastępnika dla tej drogiej molekuły. Teraz doktor Alexie Kolpak we współpracy z Grossmanem znaleźli odpowiednią strukturę. Połączyli oni węglowe nanorurki z azobenzenem. W efekcie uzyskali molekułę, której właściwości nie są obecne w obu jej związkach składowych. Jest ona nie tylko tańsza od fulwalenu dirutenu, ale charakteryzuje się również około 10 000 razy większą gęstością energetyczną. Jej zdolność do przechowywania energii jest porównywalna z możliwościami baterii litowo-jonowych. Doktor Kolpak mówi, że proces wytwarzania nowych molekuł pozwala kontrolować zachodzące interakcje, zwiększać ich gęstość energetyczną, wydłużać czas przechowywania energi i - co najważniejsze - wszystkie te elementy można kontrolować niezależnie od siebie. Grossman zauważa, że olbrzymią zaletą termochemicznej metody przechowywania energii jest fakt, że to samo medium wyłapuje energię i ją przechowuje. Cały mechanizm jest zatem prosty, tani, wydajny i wytrzymały. Ma on też wady. W takiej prostej formie nadaje się tylko do przechowywania energii cieplnej. Jeśli potrzebujemy energii elektrycznej, musimy ją wytworzyć z tego ciepła. Profesor Grossman zauważa też, że koncepcja, na podstawie której stworzono funkcjonalne nanorurki z azobenzenem jest ogólnym pomysłem, który może zostać wykorzystany także w przypadku innych materiałów. Podstawowe cechy, jakimi musi charakteryzować się materiał używany do termochemicznego przechowywania energii to możliwość przełączania się w stabilne stany pod wpływem ciepła oraz istnienie odkrytego przez Grossmana w ubiegłym roku etapu przejściowego, rodzaju bariery energetycznej pomiędzy oboma stabilnymi stanami. Bariera musi być też odpowiednia do potrzeb. Jeśli będzie zbyt słaba, molekuła może samodzielnie przełączać się pomiędzy stanami, uwalniając energię wtedy, gdy nie będzie ona potrzebna. Zbyt mocna bariera spowoduje zaś, że pozyskanie energii na żądanie będzie trudne. Zespół Grossmana i Kolpak szuka teraz kolejnych materiałów, z których można będzie tworzyć molekuły służące do termochemicznego przechowywania energii.
-
Obecnie filtry w papierosach produkuje się z octanu celulozy, który absorbuje nikotynę, substancje smoliste i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Chińczycy odkryli jednak, że dodatek nanomateriałów z tlenku tytanu(IV) może zatrzymać jeszcze więcej szkodliwych związków (Chemical Communications). Naukowcy już wcześniej próbowali wykorzystywać w filtrach nanomateriały. Nanorurki węglowe i mezoporowate nanostruktury krzemionkowe sprawdzały się dobrze w tej nowej roli, jednak w dużej mierze dyskwalifikowała je wysoka cena. Poza tym wspominano o możliwych zagrożeniach dla zdrowia. Mingdeng Wei z Uniwersytetu w Fuzhou nawiązał współpracę ze specjalistami z Fujian Tobacco Industrial Corporation. Naukowcy ustalili, że nanorurki i nanopłachty dobrze przefiltrowują dym papierosowy, są stosunkowo tanie i co najważniejsze, TiO2 stosuje się już w przemyśle kosmetycznym i spożywczym, wiadomo więc, że jest bezpieczny dla zdrowia. Zespół z Państwa Środka porównywał papierosy z nanorurkami i nanopłachtami z tlenku tytanu(IV). Wykorzystano maszynę do palenia papierosów, a następnie wysokosprawną chromatografię cieczową (ang. high performance liquid chromatography, HPLC) oraz chromatografię jonową. Dzięki tym metodom oceniono ilość wychwyconych substancji, w tym cyjanowodoru czy amoniaku. Okazało się, że nanorurki są 2-krotnie wydajniejsze od nanopłacht. Wydaje się, że warto by było też porównać papierosy z filtrem dopełnionym nanorurkami z TiO2 z popularnymi ostatnio e-papierosami. Lekarze podkreślają jednak, że i tak najskuteczniejszą metodą ograniczenia ilości szkodliwych substancji nadal pozostaje rzucenie palenia.
-
Badania nad zwiększeniem wydajności ogniw słonecznych ciągle trwają, a uczeni z MIT-u postanowili zaprząc do pomocy... wirusy. W Nature Nanotechnology opublikowali artykuł, w którym opisują w jaki sposób wirusy mogą pomóc w tworzeniu ogniw słonecznych z nanorurek. Od pewnego czasu wiadomo, że nanorurki mogą zwiększyć efektywność zbierania elektronów przez ogniwa. Jednak użycie nanorurek napotyka na dwa poważne problemy. Pierwszy z nich to fakt, że podczas produkcji nanorurek uzyskiwana jest mieszanina dwóch typów. Jedne nanorurki zachowują się jak półprzewodniki, drugie jak metale. Nowe badania wykazały, że tylko nanorurki-półprzewodniki zwiększają wydajność ogniw. Nanorurki-metale zmniejszają ją. Ponadto nanorurki mają tendencję do zlepiania się ze sobą, co zmniejsza ich efektywność. Studenci Xiangnan Dang i Hyunjun Yi, pracujący pod kierunkiem profesor Angeli Belcher, odkryli, że genetycznie zmodyfikowany wirus M13 może zostać użyty do kontrolowania ułożenia nanorurek na powierzchni, dzięki czemu są one od siebie oddzielone nie powodując krótkich spięć oraz nie mogą zbić się w grupie. Młodzi naukowcy przetestowali swojego wirusa na tanich ogniwach cienkowarstwowych DSSC (dye-sensitized solar cells), zwiększając ich wydajność z 8 do 10,6%, czyli aż o 33%. To kolosalny postęp, tym większy, jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że wirusy i nanorurki stanowią tylko 0,1% wagi ulepszonego ogniwa. Co więcej, taką samą technikę można stosować na droższych, bardziej zaawansowanych ogniwach. Zastosowanie wirusów i nanorurek ułatwia elektronom w ogniwie dotarcie do kolektora. Wirusy mają dwa zadania. Po pierwsze przyczepiają do nanorurek peptydy, które utrzymują je z dala od siebie. Każdy z wirusów może utrzymywać od 5 do 10 nanorurek, z których każda jest przytwierdzona około 300 molekułami. Ponadto wirusy są wykorzystywane w procesie pokrywania nanorurek dwutlenkiem tytanu, głównym składnikiem ogniw DSSC. Co ciekawe, jeden wirus może spełniać obie funkcje, a przełączanie pomiędzy poszczególnymi zadaniami jest regulowane za pomocą zmian kwasowości środowiska w którym odbywa się cały proces. Wirusy ułatwiają też rozprowadzanie nanorurek w wodzie, co pozwala na wykorzystywanie w produkcji ogniw taniej metody z użyciem roztworów wodnych przebiegającej w temperaturze pokojowej. Profesor Prashant Kamat z Notre Dame University mówi, że już wcześniej próbowano wykorzystać nanorurki do ulepszenia ogniw słonecznych, jednak uzyskiwano minimalne zwiększenie ich wydajności. Tymczasem prace uczonych z MIT-u są „imponujące". Prawdopodobnie zastosowanie wirusa umożliwiło lepsze połączenie nanocząstek TiO2 z nonarurkami. Ścisłe ich połączenie jest niezbędne do szybkiego i efektywnego transportu elektronów" - mówi uczony. Przypomina, że ogniwa DSSC są już sprzedawane w Korei, Japonii i na Tajwanie, a tak znaczące zwiększenie ich wydajności z pewnością zainteresuje przemysł. Tym bardziej, że zastosowanie nowej techniki wymaga dodania do procesu produkcyjnego tylko jednego, prostego procesu, zatem linie produkcyjne będzie można przystosować doń szybko i niedrogo.
-
Na Rice University powstał polimer, który wzmacnia się pod wpływem obciążenia. Wykazuje zatem właściwości podobne do kości czy mięśni, które ulegają wzmocnieniu wskutek regularnego używania. Odkrycia właściwości polimeru dokonał Bren Carey badając materiał stworzony w laboratorium profesora Pulickela Ajayana. Zadaniem Careya było sprawdzenie, jak poli(dimetylosiloksan) wzbogacony pionowo ułożonymi wielościennymi nanorurkami reaguje na wielokrotne obciążenia. Ku swojemu zdziwieniu odkrył, że nie dochodzi do zużycia materiału, ale do jego wzmocnienia. Młody magistrant poddał polimer próbie polegającej na ściskaniu go pięć razy w ciągu sekundy. Po ośmiu dobach i 3.500.000 ściśnięć okazało się, że polimer jest o 12% bardziej wytrzymały niż był przed badaniem. Naukowcy od dawna wiedzą, że pod wpływem deformacji metale mogą zwiększać swoją wytrzymałość wskutek zmian w ich strukturze krystalicznej. Dotychczas jednak polimery, zbudowane z długich łańcuchów, nie zachowywały się w ten sposób. Uczeni z Rice nie wiedzą jeszcze, dlaczego ich materiał stał się bardziej wytrzymały.
-
Woda jest, najprawdopodobniej, niezbędnym składnikiem do powstania życia, i dzieje się tak dlatego, że charakteryzuje się ona niezwykłymi właściwościami. Jedną z nich jest np. fakt, że zamarzając zwiększa swoją objętość. Dzięki temu lód pływa. Gdyby tonął, jeziora i oceany zamarzłyby, a wówczas trudno byłoby sobie wyobrazić powstanie i ewolucję złożonych form życia. Teraz George Reiter z University of Houston i jego koledzy odkryli kolejną niezwykłą właściwość wody. Przedstawili oni dowody sugerujące, że gdy uwięzimy molekuły wody w przestrzeni liczonej w nanometrach, powstaje "kwantowa" woda. Dzieje się tak, gdyż molekuły wody mogą tworzyć pomiędzy sobą wiązania wodorowe. Ponadto elektrony w molekułach donorowych i akceptorowych są nie do odróżnienia, mogą zatem swobodnie się pomiędzy nimi przemieszczać. Gdy molekuły takie zostają uwięzione na małej przestrzeni, tworzą szczególny typ sieci elektronicznej. Powstaje zatem pytanie, czy taka sieć różni się czymś od zwykłej interakcji elektronów zachodzących w wodzie. Reiter i jego zespół umieścili wodę w węglowych nanorurkach w temperaturze pokojowej i poddali ją bombardowaniu intensywnym strumieniem neutronów. Obserwując sposób rozpraszania się neutronów uczeni określali moment protonów znajdujących się wewnątrz nanorurek. Okazało się, że protony w wodzie zamkniętej w nanorurkach zachowują się odmiennie od protonów w wodzie znajdującej się w większym pojemniku. Odchylenie od dystrybucji momentów protonów od tego obserwowanego normalnie jest tak duże, że sądzimy, iż woda zamknięta w skali nano może być opisywana jako znajdująca się w jakościowo odmiennym stanie kwantowym - stwierdzili uczeni. Co więcej, nie wykluczają oni, że może istnieć jakiś rodzaj koherencji kwantowej w wodzie w skali nano. A jeśli tak, to w przyszłości prawdopodobnie uda się ją zmierzyć. Odkrycie to może mieć kolosalne znaczenie dla zrozumienia otaczającego nas świata. Musimy bowiem pamiętać, że woda w organizmach żywych w bardzo wielu momentach zostaje zamknięta w skali nano. Na przykład wówczas, gdy przechodzi przez kanały jonowe błon komórkowych. Nie od dzisiaj wiadomo, że przepływ przez te kanały jest o wiele rzędów wielkości bardziej intensywny niż wskazują współczesne modele dynamiki płynów. Niewykluczone, że dzieje się tak właśnie ze względu na nowe właściwości kwantowe wody. Reiter i jego koledzy zauważają jednocześnie, że nowo odkryte zjawisko występuje tylko wówczas, gdy woda jest otoczona przez neutralne molekuły, takie jak węgiel. Nie pojawi się ono w obecności wielu współcześnie używanych materiałów jak chociażby takich, wykorzystywanych do budowy membran do wymiany protonów np. w ogniwach paliwowych. To z kolei oznacza, że membrany takie można znacząco udoskonalić za pomocą węglowych nanorurek.
-
Naukowcy z Finlandii stworzyli pamięć masową z węglowych nanorurek, której prędkość pracy dorównuje kartom pamięci czy klipsom USB. Odczyt i kasowanie danych odbywa się w ciągu 100 nanosekund, czyli 100 000 razy szybciej, niż wcześniej wyprodukowane nanorurkowe pamięci masowe. Fińskie urządzenie wytrzymuje ponad 10 000 cykli zapisu/kasowania. Päivi Törmä z uniwersytetu w Helsinkach stwierdził: Pod względem prędkości i wytrzymałości, nasza pamięć jest tak dobra jak komercyjne dostępne kości flash. Do stworzenia układów wykorzystano tranzystory polowe z węglowych nanorurek. Zostały one umieszczone na krzemowym podłożu i odizolowane od niego za pomocą 20-nanometrowej warstwy tlenku hafnu. To właśnie użycie tlenku hafnu jest kluczem do szybkiej pracy pamięci. Na niego nałożono kilka kropel roztworu zawierającego nanorurki. Średnica każdej z nich wynosi od 1,2 do 1,5 nanometra, a długość to od 100 do 360 nanometrów. Następnie za pomocą mikroskopu sił atomowych zidentyfikowano odpowiednio ułożone nanorurki, które połączono za pomocą palladu, tworząc w ten sposób dren i źródło. Rolę bramki pełni krzemowe podłoże. W końcu na warstwę nanorurek nałożono kolejną 20-nanometrową warstwę tlenku hafnu, tworząc izolację. Na razie nanorurkowe układy pamięci są w stanie przechowywać dane przez około 42 godziny. To niewiele, dlatego Törmä i jego zespół chcą wydłużyć ten czas. Uważają, że można tego dokonać poprzez dodanie warstwy tlenku pomiędzy bramkę a nanorurki.
-
Na Northwestern University powstało włókno, które jest bardziej wytrzymałe niż kewlar. Horacio Espinosa i jego zespół stworzyli nowe włókno łącząc węglowe nanorurki i polimer. Testy w skali nano i makro wykazały, że jest ono niezwykle wytrzymałe i odporne na uszkodzenia. Wielkim osiągnięciem jest fakt, że włókno to jest jednocześnie plastyczne i wytrzymałe. Może zaabsorbować i rozproszyć olbrzymie ilości energii zanim ulegnie uszkodzeniu. Nigdy wcześniej nie obserwowaliśmy takiej wytrzymałości. Włókno może znaleźć zastosowanie w przemyśle obronnym, lotniczym i kosmicznym - mówi profesor Espinosa. Badania jego zespołu to część programu Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) prowadzonego przez Departament Obrony. W jego ramach zespół Espinosy otrzymał 7,5 miliona dolarów na badania nad włóknami i materiałami kompozytowymi do produkcji kamizelek kuloodpornych, spadochronów, pojazdów, samolotów i satelitów. Naukowcy rozpoczęli swoje prace od węglowych nanorurek. Same nanorurki są jednym z najbardziej wytrzymałych materiałów, jednak gdy się je łączy, tracą swoje właściwości, gdyż ześlizgują się po sobie. Naukowcy dodali więc polimer, który łączył nanorurki i z tak uzyskanego materiału wyprodukowali przędzę. Następnie wykorzystali skanningowy mikroskop elektronowy do zbadania jej właściwości, podczas gdy sama przędza była poddawana najróżniejszym oddziaływaniom zewnętrznym. Poznaliśmy funkcjonowanie tego materiału w różnej skali. Chcemy zrozumieć, jak działają poszczególne molekuły, by w przyszłości stworzyć jeszcze bardziej wytrzymałe włókna - mówi Tobin Filleter z zespołu Espinosy. Już teraz wiadomo, że nowe włókno jest bardziej wytrzymałe niż kewlar - materiał powszechnie używany do produkcji kamizelek kuloodpornych i hełmów. Uczeni przyznają jednocześnie, że materiał może być znacznie wytrzymalszy. Węglowe nanorurki, czyli budulec naszej przędzy, są 50 razy bardziej wytrzymałe, niż przędza którą stworzyliśmy. Jeśli będziemy w stanie poprawić łączenia, wyprodukujemy wytrzymalszy materiał - mówi Mohammad Naraghi. Jednym ze sposobów na wzmocnienie przędzy może być wykorzystanie emisji elektronowej o wysokiej energii do kowalencyjnego połączenia ze sobą nanorurek pomiędzy poszczególnymi włóknami.
-
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
-
Uczeni z MIT-u, jako pierwsi w historii, zaobserwowali przepływ pojedynczych jonów przez węglowe nanorurki. Dzięki takiemu osiągnięciu nanorurki można będzie wykorzystać w roli superczułych detektorów oraz do badania reakcji chemicznych na poziomie pojedynczych molekuł. W najnowszym numerze Science naukowcy informują, że naładowane jony sodu czy chloru nie tylko są w stanie przepłynąć szybko przez węglowe nanorurki, ale mogą robić to pojedynczo w danym przedziale czasu. Nanorurkowe kanały są bardzo długie, mają nawet pół milimetra, zatem umożliwiają wykrycie niewielkich molekuł. Obecnie używane są systemy zbudowane z krzemowych membran z wywierconymi otworami. Są one jednak około 20 000 razy krótsze niż kanały z nanorurek. To z kolei oznacza, że mogą przez nie przechodzić tylko duże molekuły, te mniejsze przepłyną tak szybko, że nie zostaną wykryte. Z perspektywy molekularnej są to wyjątkowo wielkie odległości. Takie przerzucanie mostów pomiędzy światem nano a większymi rozmiarami daje nam możliwość zastosowania zjawisk występujących z nanoskali w makroświecie - od oczyszczania wody, poprzez detektory po ogniwa paliwowe - mówi profesor Shekhar Garde z Rensselaer Polytechnic Institute. Profesor Michael Strano, doktor Chang Young Lee oraz studenci Wonjoon Choi i Jea-Hee Han wyprodukowali nanorurkowe kanały na podstawce o powierzchni 1 cm2. Podstawka łączyła ze sobą dwa zbiorniki z wodą. Każdy z nich zawierał elektrodę. Jako, że przepływ prądu uzależniony jest od przepływu jonów, uczeni łatwo mogli stwierdzić, czy jony przedostają się przez nanorurkowy kanał. Jednocześnie zauważono, że przez nanorurkę przepływają nie tylko protony, ale również inne dodatnio naładowane jony. Zaobserwowano przechodzące przez kanał jony sodu. Naukowcy uważają, że obecnie, ze względu na budowę kanałów, tylko jony naładowane dodatnio mogą się przedostać. Chcą jednak stworzyć nanorurkowe kanały transportujące też ujemnie naładowane jony. Gdy już będą mieli dwa typy takich kanałów, zamierzają połączyć je w jednej membranie i wykorzystać ją do odsalania wody morskiej. Obecnie stosowane technologie, takie jak destylacja o odwrotna osmoza są bardzo drogie i wymagają dostarczenia dużych ilości energii. Membrany, dzięki którym z wody morskiej będzie można oddzielić jony sodu i chloru, powinny być znacznie tańszym sposobem odsalania.
-
Przed dwoma laty chińscy naukowcy odkryli, że w nanorurkach zachodzi zjawisko termoakustyki. Podgrzane nanorurki wydają dźwięki. Wystarczy zatem przepuścić przez nie prąd elektryczny, a uzyskamy fale dźwiękowe. Chińczycy zademonstrowali swoje odkrycie w bardzo spektakularny sposób. Utworzyli z warstwy nanorurek głośnik, przymocowali go do kawałka materiału umieszczonego na maszcie i podłączyli odtwarzacz MP3. Nanorurkowy głośnik działał, mimo że materiał, pod wpływem podmuchów powietrza, ciągle się wyginał. Chińczycy nie sprawdzili jednak, czy ich głośnik będzie działał pod wodą. Dokonał tego Ali Aliev wraz z kolegami z University of Texas. Okazało się, że cienka warstwa nanorurek generuje w wodzie dźwięki o częstotliwości przydatnej do... wykrywania łodzi podwodnych. Dzięki nim sonary będą mogły określić położenie, głębokość i prędkość poszukiwanego obiektu. Jednak to nie wszystkie zalety głośnika. Amerykańscy naukowcy doszli również do wniosku, że można tak przygotować nanorurkowe płachty, by wygłuszały konkretne częstotliwości, co oznacza, że łodzie podwodne nie tylko będą mogły wykrywać inne obiekty, ale również, dzięki temu samemu materiałowi, pozostaną dla nich niewidoczne. Poniżej można posłuchać chińskiego głośnika na wyginającym się materiale. http://www.youtube.com/watch?v=8aoflVUvwlQ&hl=pl_PL&fs=1
-
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.
-
W niedalekiej przyszłości do sklepów mogą trafić baterie o pojemności nawet 10-krotnie większej niż dotychczas. Wszystko dzięki badaniom naukowców z MIT-u, którzy wykorzystali węglowe nanorurki drastycznie zwiększając pojemność baterii na jednostkę wagi. Zespół pracujący pod kierunkiem profesor Yang Shao-Horn i Pauli Hammond wykorzystał metodę produkcji elektrody warstwa po warstwie, w której materiał bazowy jest na zmianę zanurzany z roztworze zawierającym węglowe nanorurki potraktowane odpowiednim organicznym związkiem, który nadaje im ładunek negatywny lub pozytywny. Dzięki temu nanorurki tworzą ściśle przylegającą, stabilną i wytrzymałą warstwę. Nanorurki nie dość, że są porowate w bardzo małej skali to jeszcze mają wiele grup tlenowych, które mogą przechowywać olbrzymią liczbę jonów litu. To dzięki temu możliwe było gwałtowne zwiększenie pojemności baterii. Węglowe nanorurki wykazują też dużą stabilność. Badania pokazały, że po 1000 cyklach rozładowania/ładowania nie doszło do żadnego wykrywalnego zmniejszenia wydajności baterii. Naukowcy nie wykluczają, że ich wynalazek przyda się nie tylko do tworzenia niewielkich baterii dla urządzeń przenośnych, ale również trafi do akumulatorów samochodów elektrycznych. Profesor Hammond już pracuje nad przyspieszeniem produkcji nowej elektrody. Jej zdaniem, czasochłonną technikę naprzemiennego zanurzania w roztworze można będzie zastąpić techniką natryskiwania poszczególnych warstw.
-
Zamiast wyrzucać plastikowe torby możemy je przekazać do przetworzenia, a dzięki nowej technologii powstaną z nich nie kolejne plastikowe torby, ale... węglowe nanorurki. Sposób na ich produkcję został opracowany przez Vilasa Ganpata Pola z Argonne National Laboratory, któremu udało się zmienić mało wartościowe torby w drogie nanorurki. Naukowiec przez dwie godziny podgrzewał 1 gram HDPE lub LDPE w temperaturze 700 stopni Celsjusza w obecności octanu kobaltu, który działał jak katalizator, a następnie powoli schładzał całość. W temperaturze powyżej 600 stopni Celsjusza wiązania chemiczne w plastikowej torbie rozpadły się, a na powierzchni cząsteczek katalizatora zaczęły rosnąć węglowe nanorurki o wielu ścianach. Do przeprowadzenia całego procesu trzeba sporo katalizatora, bo aż 20% masy przetwarzanego kawałka plastikowej reklamówki. Ponadto późniejsze jego odzyskanie nie jest proste. Jednak, jak zapewnia Pol, to i tak jedna z najtańszych i najbardziej przyjaznych środowisku metod produkcji nanorurek. Inne metody wymagają korzystania z komory próżniowej, by nie doszło do reakcji z tlenem. W mojej technice próżnia nie jest potrzebna. Formowaniu się tlenu zapobiega węglowodorowa 'atmosfera' o temperaturze 700 stopni - mówi uczony. Naukowiec przeprowadził już testy swoich nanorurek. Bez oddzielania ich od katalizatora, odpowiednio pociął uzyskany materiał i wykorzystał go do budowy anody baterii litowo-jonowej. Pracowały fantastycznie. Ich pojemność jest większa niż nanorurek obecnie dostępnych w handlu - stwierdził. Zanieczyszczenie kobaltem powoduje, że nadają się one do wykorzystania w bateriach litowo-powietrznych, w których kobalt działa jak katalizator utleniając się do tlenków kobaltu. Tak więc gdy wykorzystamy nanorurki Pola do budowy baterii, cząsteczki kobaltu stają się nie zanieczyszczeniem, a przydatnym składnikiem. Co prawda użycie drogiego kobaltu, który trudno jest odzyskać, może stanowić problem przy masowej produkcji nanorurek metodą Pola, jednak, jak zauważa uczony, baterie litowo-jonowe i litowo-powietrzne już obecnie są poddawane recyklingowi i kobalt jest z nich odzyskiwany.
-
Inżynierowie z Uniwersytetu Stanforda stworzyli najdoskonalsze i najbardziej wydajne układy scalone wykorzystujące węglowe nanorurki. Uczonym udało się wyeliminować niedoskonałości, które przyczyniały się do powstawania spięć w obwodach. Dowodzi to, że prace nad węglowymi nanorurkami wykorzystywanymi w tranzystorach wyszły poza dziedzinę odkryć naukowych i mogą być prowadzone na poziomie inżynierskim - powiedział profesor H.-S. Philip Wong, który prezentował najnowsze dokonania swojego zespołu podczas International Electron Devices Meeting w Baltimore. W tej chwili jesteśmy w stanie budować obwody w skali całego plastra krzemowego. Dotychczas mogliśmy tworzyć pojedyncze urządzenia - dodał. Nie oznacza to, że w najbliższym czasie na rynek trafią układy scalone z nanorurkowymi tranzystorami. Na razie bowiem udało się umieścić w nowym chipie stosunkowo niewiele tranzystorów. Najważniejszy jest jednak fakt, że technika, dzięki której tego dokonano, jest podobna do obecnie wykorzystywanych technologii przemysłowych i jest kompatybilna ze standardem VLSI. Układy, które powstały na Uniwersytecie Stanforda, wykorzystują trzy podstawowe techniki opracowane w ostatnich latach na tej uczelni. Pierwsza z nich, stworzona w 2007 roku, pozwala nanorurkowym tranzystorom pracować nawet wówczas, gdy tworzące je nanorurki nie są idealnie dopasowane. Druga, z 2008, umożliwia zgodną z VLSI produkcję nanorurkowych tranzystorów. Trzecia, właśnie zaprezentowana, pozwala na eliminowanie wadliwych nanorurek, które przewodziły prąd wówczas, gdy nie powinny. Uczeni nazwali ją VLSI-compatible Metallic Nanotube Removal (VMR). Przy jej opracowywaniu wykorzystano pomysł, na który w roku 2001 wpadł Paul Collins i jego zespół z IBM-a. Używali oni prądu do niszczenia nanorurek. Uczeni ze Stanforda używają elektrod do oddzielania wadliwych nanorurek od prawidłowych. Te same elektrody mogą być później połączone z nanorurkami, tworząc obwód elektryczny. Najpoważniejszą przeszkodą na drodze do budowy układów scalonych wykorzystujących nanorurki jest opracowanie techniki pozwalającej na zwiększenie liczby nanorurkowych tranzystorów na chipie do wielu milionów. Naukowcy sądzą, że poradzą sobie z tym problemem.
-
Wystarczy zanurzyć kartkę papieru w tuszu wykonanym z węglowych nanorurek i srebrnych nanokabli, by błyskawicznie uzyskać baterię lub superkondensator - stwierdza profesor Yi Cui z Uniwersytetu Stanforda. Społeczeństwo potrzebuje tanich, wysoko wydajnych urządzeń przechowujących energię, takich jak baterie i proste superkondensatory - mówi uczony. Naukowiec mówi, że jego baterie są szczególne. Dzięki wykorzystaniu materiałow w skali nano, podstawowe elementy baterii są bardzo małe, przez co tusz z nanorurkami i nanokablami bardzo mocno przyczepia się do włókien papieru. To zaś powoduje, że baterie są niezwykle wytrzymałe. Superkondensator wykonany metodą proponowaną przez Cui jest w stanie wytrzymać 40 000 cykli ładowania/rozładowania, a więc znacznie więcej niż nowoczesne baterie litowe. Papierowe baterie mają też kolosalną zaletę - trudno je zniszczyć. Można je zmiąć, wygiąć, zanurzyć w roztworze kwasu lub zasady, a zachowają swoją wydajność. Nie sprawdzaliśmy jeszcze, co się stanie, gdy je spalimy - mówi Cui. Superkondensatory wykonane z papieru mogą być przydatne w przemyśle motoryzacyjnym. Mają bowiem dużą powierzchnię w stosunku do objętości, mogą więc przechowywać sporo energii. Ta technologia może zostać bardzo szybko skomercjalizowana. Nie sądzę, by jej zastosowanie ograniczyło się tylko do przechowywania energii. To potencjalnie tania, elastyczna elektroda dla każdego urządzenia elektronicznego - stwierdził profesor Peidong Yang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Zdaniem wynalazcy papierowych baterii, najbardziej przydadzą się one w przemyśle produkującym i dystrybuującym energię. Pozwolą bowiem w bardzo tani i prosty sposób przechowywać energię wyprodukowaną poza szczytem i uwolnić ją w szczycie.
-
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.
-
O zastosowaniach nanorurek węglowych mówi się i pisze bardzo dużo. Teraz do i tak już długiej listy można dopisać kolejną pozycję – nawożenie. Okazuje się bowiem, że nasiona pomidorów kiełkują i rosną szybciej w podłożu hodowlanym zawierającym te struktury (ACS Nano). Biolog Mariya Khodakovskaya i nanotechnolog Alexandru Biris z University of Arkansas porównywali kiełkowanie i wzrost siewek pomidorów w zwykłym podłożu i glebie wzbogaconej nanorurkami. Choć już wcześniej inni naukowcy wspominali, że tego typu zabieg przyspiesza wegetację, dopiero teraz udało się zaproponować jakieś wyjaśnienie. Akademicy z Little Rock zauważyli bowiem, że nanorurki przebijają grubą łupinę nasienia, co pozwala wodzie szybciej dotrzeć do jego wnętrza.
-
Najnowsze badania przeprowadzone na Massachusetts Institute of Technology wskazują, że sprężyny wykonane z węglowych nanorurek mogą przechowywać tysiąc razy więcej energii niż sprężyny stalowe. Ich zdolność magazynowania energii, w przeliczeniu na jednostkę wagi, jest równa możliwościom najnowocześniejszych baterii litowo-jonowych. Oznacza to, że w przyszłości mogą powstać liczne urządzanie napędzane za pomocą sprężyn, które sprawdzą się m.in. tam, gdzie baterie litowo-jonowe są mało przydatne. Wyobraźmy sobie np. ręczne odkurzacze do liści, które nie powodują hałasu i nie trzeba w nie wlewać benzyny czy też urządzenia opuszczane do odwiertów geologicznych i wykonujące swoje zadania w warunkach, w których baterie litowo-jonowe ulegają szybkiej degradacji. Profesor Carol Livermore i jej zespół opublikowali dwie prace dotyczące możliwości nanorurkowych sprężyn. W lipcu ukazał się teoretyczny artykuł, który rozważał potencjał drzemiący w tego typu urządzeniach. Teraz w Journal of Micromechanics and Microengineering pani profesor opisuje wyniki testów laboratoryjnych, które potwierdziły wcześniejsze teorie. Livermore zauważa, że w wielu zastosowaniach sprężyny przewyższają możliwości baterii. Mogą one bowiem, w przeciwieństwie do baterii, dostarczać energię bardzo szybko lub bardzo powoli. Kolejna ich zaleta to fakt, że energia z nich nie ucieka. W sprężynie może być ona przechowywana całymi latami, w baterii jest to niemożliwe. To z kolei oznacza, że sprężyny lepiej nadają się np. do awaryjnych systemów zasilania, które całymi miesiącami czy latami pozostają bezczynne. W przypadku baterii konieczne jest regularne kontrolowanie poziomu ich naładowanie oraz wymiana lub doładowywanie urządzeń. Ponadto węglowe nanorurki są słabo podatne na działanie czynników zewnętrznych, mogą więc pracować w bardzo różnych warunkach. Mogą więc być stosowane np. w przestrzeni kosmicznej, gdzie zostaną poddane bardzo niskim i bardzo wysokim temperaturom. Zdaniem pani profesor, nanorurkowe sprężyny najpierw pojawią się w dużych urządzeniach i będą przechowywały energię mechaniczną oraz ją oddawały, a nie zamieniały ją w elektryczną. Zamiana rodzajów energii wiąże się bowiem z ich niepotrzebną stratą. Taki system może np. przydać się w rowerach, gdzie podczas hamowania w czasie zjazdu z górki sprężyna będzie nakręcana, a zmagazynowaną energię rowerzysta będzie mógł wykorzystać podjeżdżając pod górę. Jest to z pewnością rozwiązanie bardziej efektywne niż systemy stosowane w pojazdach hybrydowych, gdzie energia mechaniczna pozyskiwana podczas hamowania jest zamieniana na energię elektryczną doładowującą baterie, a następnie odzyskiwana do napędzania silnika. Mamy tu zatem do czynienia z dwukrotną konwersją energii. W systemie czysto mechanicznym konwersja nie zachodzi. Wyprodukowanie odpowiednio długich nanorurek, z których będzie można produkować sprężyny, nie powinno być problemem, gdyż poszczególne molekuły mają bardzo silną tendencję do przyczepiania się, co ułatwia tworzenie z nich długich włókien. Uczeni z MIT-u przyznają jednak, że minie jeszcze sporo czasu, zanim na rynek trafią pierwsze urządzenia z nanorurkowymi sprężynami. Naukowcy muszą m.in. opracować technologie masowej produkcji tanich nanorurkowych materiałów.
-
W dzisiejszych czasach trudno wyobrazić sobie dziedzinę, w której nie znalazłoby się zastosowania dla nanotechnologii. Na rozwoju tej nauki mogą skorzystać także mikrobiolodzy, o czym świadczy aparat zaprezentowany przez naukowców z Universitat Rovira i Virgili w hiszpańskiej Tarragonie. Stworzony przez Hiszpanów prototyp, opisany na łamach międzynadorowego wydania czasopisma Angewandte Chemie jest zdolny do wykrywania bakterii Salmonella typhi, odpowiedzialnych za ciężkie i trudne do wyleczenia infekcje u ludzi. Zaprezentowany aparat jest tak czuły, że nie stanowi dla niego większego problemu detekcja nawet pojedynczej komórki bakteryjnej znajduącej się w badanym materiale. Sercem opracowanego urządzenia są nanorurki o ścianach zbudowanych z pojedynczej warstwy atomów węgla. Ich wnętrze zostało zmodyfikowane na drodze chemicznej, a następnie przyłączono do niego aptamery - syntetyczne fragmenty RNA zaprojektowane w celu wybiórczego wiązania jednego z antygenów znajdujących się na powierzchni komórek S. typhi. Wykrywanie bakterii odbywa się dzięki pomiarowi zmian siły elektromotorycznej podczas przyłączenia się bakterii do aptamerów. Odczyt niezbędnych parametrów odbywa się w czasie rzeczywistym i jest na tyle precyzyjny, że możliwe jest dokładne określenie liczby komórek znajdujących się w badanej próbce. Istotny jest także fakt, iż opracowany sensor jest wysoce swoisty, tzn. nie wykrywa bakterii należących do gatunków innych niż S. typhi. Hiszpańscy badacze nie sprecyzowali, czy - i jeśli tak, to kiedy - ich wynalazek mógłby trafić na rynek. Jeżeli jednak będzie on tak skuteczny, jak wynika z dotychczasowych eksperymentów, możemy być niemal pewni, że jego jego komercjalizacja stanie się faktem.
-
Guma gellan, zagęstnik stosowany w jogurtach, deserach mlecznych czy galaretkach, może być wykorzystana jako rusztowanie dla tkanki podczas prac nad sztucznymi mięśniami (Soft Matter). Doktorant Cameron Ferris z Instytutu Badań nad Inteligentnymi Polimerami University of Wollongong posłużył się gumą gellanową, wytwarzaną przez bakterie Pseudomonas elodea. Jest to dodatek do żywności (oznaczany symbolem E 418). Występuje w koncentratach deserów, dżemach i marmoladach, sosach konserw rybnych czy w mlecznych napojach fermentowanych. Pełni funkcję zagęstnika, substancji żelującej i stabilizatora. Jak wyjaśnia Ferris, guma gellan jest wyjątkowo użyteczna, ponieważ staje się żelem w temperaturze zaledwie 37°C, a to wartość dobra dla żywych komórek. Doktorant pracuje m.in. nad sztuczną tkanką mięśnia sercowego, którą można by zastępować fragmenty uszkodzone przez zawał. Z wyników wcześniejszych badań innych naukowców Ferris dowiedział się, że mięśnie i serce potrzebują elektrycznej stymulacji, by osiągnąć stan pełnego zróżnicowania funkcjonalnego. Australijczykowi udało się stworzyć przewodzące prąd rusztowanie z mieszaniny gumy gellanowej i nanorurek węglowych. Potem wyhodował na nim fibroblasty, ale ostatecznie wyeliminował nanorurki, sugerując się doniesieniami o niewiadomych skutkach ich stosowania. Niektóre studia sugerują, że są bezpieczne, a organizm je usuwa, gdy rusztowanie się rozkłada. Inne wskazują, że są cytotoksyczne lub że akumulują się w płucach. Mając to na uwadze, Ferris skłania się raczej ku rozwiązaniu wykorzystującemu drukarkę atramentową. Dzięki temu dałoby się lepiej kontrolować strukturę żelowego rusztowania. W ten sposób różne typy komórek trafiałyby w różne miejsca, umożliwiając np. uzyskanie naczyń krwionośnych. Doktorant posłużył się też specjalnymi prążkami, które pełnią w przypadku komórek mięśniowych rolę drogowskazów – pozwalają im się ułożyć w odpowiednim kierunku. Nad przebiegiem prac czuwał dr Marc in het Panhuis. Obaj panowie mówią o wielorakich zastosowaniach wynalazku, w tym o odtwarzaniu za jego pomocą rdzenia kręgowego, aplikacjach bionicznych i dostarczaniu leków.
-
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles stworzyli najmniejszą żarówkę na świecie. Jej drucik żarowy stanowi pojedyncza nanorurka o długości 100 atomów. Gołym okiem nie można go zobaczyć. Dopiero po zapaleniu żarówki zauważymy miniaturowe źródło światła. Miniaturowe urządzenie nie powstało jednak dla zabawy. Profesor Chris Regan i jego zespół stworzyli je, by zbadać zjawiska zachodzące na pograniczu termodynamiki i mechaniki kwantowej. Żarówka ma umożliwić przestudiowanie prawa Plancka, które opisuje emisję światła przez ciało doskonale czarne. Odnosi się ono do emisji z wielu obiektów, a naukowców szczególnie interesuje mikrofalowe promieniowanie tła, czyli pozostałość po Wielkim Wybuchu, również opisywane przez prawo Plancka. Żarnik miniaturowej żarówki składa się z mniej niż 20 milionów atomów. To wystarczająco dużo, by wyciągnąć istotne statystycznie wnioski na temat zachodzących zjawisk, a jednocześnie na tyle mało, że żarnik można uznać za urządzenie molekularne, a więc podlegające prawom mechaniki kwantowej. Naszym celem jest zbadanie, jak prawo Plancka ma się do miniaturowych obiektów. Te dwa tematy - emisja z ciała doskonale czarnego oraz skala nano - mieszczą się na pograniczu termodynamiki i mechaniki kwantowej, uważamy więc, że nasze urządzenie jest bardzo interesującym systemem do badania - stwierdził profesor Regan. Jako ciekawostkę można dodać, że żarnik miniaturowej żarówki jest bardzo podobny do tego, który znajdował się w żarówce Edisona. I tam żarnik składał się z węgla. Współczesny żarnik ma jednak objętość bilion razy mniejszą niż żarnik Edisona.
-
Aerożel, o którym pisaliśmy przed dwoma laty, może posłużyć do zbudowania niezwykle silnych mięśni dla robotów. Materiał ten jest niewiele gęstszy od powietrza (1,5 miligrama/cm3), a jednocześnie wzdłuż osi nanorurek, z których jest zbudowany, jest bardziej wytrzymały od stali. Okazuje się, że gdy do aerożelu przyłożymy napięcie elektryczne, siły działające pomiędzy nanorurkami odepchną je od siebie, trzykrotnie zwiększając szerokość materiału z prędkością 37 000 procent na sekundę. Rozciągliwość materiału jest 10-krotnie większa niż naturalnych mięśni i jego ruch odbywa się z 1000-krotnie szybciej. Siła rozciągania jest 30-krotnie większa niż siła mięśni. Co więcej, aerożel może pracować w temperaturach, w jakich nie sprawdzają się żadne inne sztuczne mięśnie. Większość z nich działa przedziale od kilkunastu do 100 stopni Celsjusza. Istnieje jeden, który pracuje przy 500 stopniach. Tymczasem aerożelowe mięśnie działają pomiędzy -190 a 1600 stopni. Aerożelowe mięśnie zbudowano z węglowych nanorurek o średnicy około 12 nanometrów, z których każda składała się z około 9 koncentrycznie ułożonych warstw. Za pomocą techniki osadzania z fazy gazowej nanorurki umieszczono na podłożu tak, by większość z nich była ułożona w tym samym kierunku. Podłoże wraz z nanorurkami umieszczono w etanolu, który następnie odparowano. To spowodowało 400-krotne zagęszczenie nanorurek, których warstwa liczyła 50 nanometrów grubości. Możliwe jest układanie kolejnych warstw w celu uzyskania większej wytrzymałości materiału. Z prac naukowców z University of Texas cieszy się Yoseph Bar-Cohen, menedżer z należącego do NASA Jet Propulsion Laboratory, którego zadaniem jest stworzenie siłowników nadających się do zastosowania w kosmosie. Aerożelowe mięśnie sprawdzą się zarówno na gorącej powierzchni Wenus, jak i na zimnych księżycach Jowisza. Są ponadto lekkie, co jest niezwykle ważne przy wynoszeniu urządzeń w przestrzeń kosmiczną.
-
Jednym z paliw dla samochodów przyszłości może być wodór. Jednak, zanim będzie on powszechnie używany, trzeba opracować tanie technologie jego produkcji, dystrybucji i przechowywania w ogniwach paliwowych pojazdów. Dzięki pracom greckich naukowców już wkrótce może powstać ekonomicznie opłacalne ogniwo wodorowe. Amerykański Departament Energii informuje, że obecnie najdoskonalsze materiały wykorzystywane do produkcji ogniw paliwowych są w stanie przechowywać zaledwie 2% wodoru. Amerykanie szacują, że samochodowe ogniwo paliwowe będzie opłacalne dopiero wówczas, gdy wodór będzie stanowił 6% jego wagi. Georgios Froudakis i jego zespół z uniwersytetu na Krecie poinformowali, że z symulacji komputerowych wynika, iż ogniwo zbudowane z warstw grafenu połączonych za pomocą węglowych nanorurek byłoby w stanie przechować 6,1% wodoru. Obecnie inny Grek, Dimitrios Gournis z holenderskiego uniwersytetu w Groningen zaczął konstruować takie ogniwo. Stworzył już strukturę składającą się z 40 warstw grafenu połączonych za pomocą fullerenów. Do końca bieżącego roku fullereny zostaną zastąpione nanorurkami. Następnie struktura zostanie napełniona wodorem i zbadana. Jeśli wyliczenia zespołu Froudakisa się potwierdzą, pokonamy jedną z najpoważniejszych przeszkód na drodze do powstania samochodów o napędzie alternatywnym wobec paliw kopalnych.
