Znajdź zawartość

Nikiel jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi. Co ważne, jest wysoce odporny na korozję, dzięki czemu znajduje zastosowanie na wielu polach. Jednak zaskakujące odkrycie dokonane przez naukowców z Texas A&M University wskazuje, że nikiel nie tylko ulega korozji, ale proces ten przebiega w sposób, którego naukowcy się nie spodziewali. O badaniach prowadzonych przez zespół profesora Michaela Demkowicza poinformowano na łamach Physical Reveiew Materials. Korozja zwykle atakuje połączenia czy też granice pomiędzy ziarnami materiału. To tzw. korozja międzykrystaliczna, która osłabia metal od wewnątrz. Istnieje jednak pewien szczególny typ granicy między ziarnami metalu, zwany koherentną granicą bliźniaczą, o którym sądzono, że jest on odporny na korozję. Tymczasem, ku zdumieniu naukowców z Teksasu, okazało się, że niemal cała korozja występująca w prowadzonych przez nich eksperymentach pojawiła się właśnie na koherentnych granicach bliźniaczych. To odkrycie odwraca do góry nogami dekady założeń dotyczących przebiegu korozji metali, mówi Demkowicz. Koherentne granice bliźniacze to obszary, na których wewnętrzna struktura wzorców materiału jest swoim lustrzanym odbiciem wzdłuż całej takiej granicy. Tego typu granice powstają naturalnie wskutek krystalizacji, mogą być też wynikiem oddziaływań mechanicznych bądź termicznych. Czysty nikiel jest niemal całkowicie odporny na korozję. Gdy jednak podaliśmy napięci od stron katody, która jest jeszcze mniej podatna na korozję, odkryliśmy ku swojemu zdumieniu widoczne znaki korozji na koherentny;ch granicach bliźniaczych, mówi Mengying Liu, jeden z członków zespołu badawczego. To odkrycie pozwoli przewidzieć, gdzie może pojawić się korozja. Być może dzięki temu zostaną zaprojektowane metale bardziej odporne na korozję, dodaje. Przez dziesięciolecia specjaliści zakładali, że koherentne granice bliźniacze są odporne na korozję. Dlatego też pracowali nad metalami zawierającymi jak najwięcej takich granic. Próbując zapobiegać korozji tworzono metale zawierające tak dużo koherentnych granic bliźniaczych jak to tylko było możliwe. Teraz musimy przemyśleć tę strategię, stwierdza Demkowicz. « powrót do artykułu

Wiele przedmiotów, które mają być jednocześnie lekkie i wytrzymałe, jest wykonanych z tytanu. Jednak materiał ten nie jest tak wytrzymały, jak teoretycznie mógłby być. Dzieje się tak, gdyż wytrzymałość materiału zależy od tego, w jaki sposób układają się budujące go atomy. A przypadkowe błędy, które narastają w procesie produkcyjnym powodują, że materiał staje się coraz słabszy. To jednak oznacza, że jeśli bylibyśmy w stanie budować materiał atom po atomie, możemy uzyskać niezwykle wytrzymałe materiały. To właśnie zrobili naukowcy z University of Pennsylvania, University of Illinosi at Urbana-champaign oraz University of Cambridge. Jak dowiadujemy się z Nature Scientific Reports, zbudowali oni, atom po atomie, kawałek niklu, który jest równie wytrzymały co tytan, ale 4-5 razy lżejszy. W procesie budowy powstały równomiernie rozłożone puste przestrzenie, pory, które nadały niklowi strukturę podobną do drewna. Uczeni postanowili wykorzystać te puste miejsca. Tak jak w drewnie porowatość służy biologicznej funkcji – transportowi energii – tak i tutaj można wykorzystać ją do tego samego celu. Pory we wspomnianej płachcie można wypełnić materiałami działającymi jak anoda i katoda. Dzięki temu temu metal może służyć jednocześnie do budowania np. protez czy skrzydeł samolotu oraz do przechowywania energii. Materiały występujące w naturze są pełne defektów na poziomie atomowym. Gdybyśmy potrafili uzyskać tytan pozbawiony tych wad, byłby on 10-krotnie bardziej wytrzymały niż tytan produkowany obecnie. Eksperci od dawna próbują zaradzić temu problemowi i starają się zyskać kontrolę nad układem atomów tak, by w jak największym stopniu kontrolować właściwości mechaniczne materiałów. Profesor James Pikul, który stał na czele grupy badawczej, i jego koledzy osiągnęli sukces naśladując strukturę drewna. Przyczyną, dla której mówimy tutaj o metalicznym drewnie nie jest gęstość naszego materiału, która jest podobna do gęstości drewna, ale jego struktura komórkowa. Materiały komórkowe są porowate. Jeśli popatrzymy na ziarno drewna, to zobaczymy fragmenty gęste i grube, które utrzymują całą strukturę, oraz fragmenty porowate, których celem jest wykonywanie funkcji biologicznych, takich jak transport różnych składników pomiędzy komórkami, mówi Pikul. Nasza struktura jest podobna. Są tutaj grube i gęste fragmenty z metalowymi wspornikami oraz fragmenty porowate, z pustymi przestrzeniami. Pracujemy tutaj na takich wymiarach, przy których długość wsporników jest bliska teoretycznemu maksimum, dodaje uczony. Wsporniki, o których mówi, mają szerokość około 10 nanometrów i są długie na około 100 atomów niklu. Ważnym osiągnięciem jest fakt, że udało się uzyskać wyjątkowo duży kawałek metalu o tak dobrze kontrolowanej strukturze. Większość przykładów takich wytrzymałych materiałów to kawałki o rozmiarach małej pchły. Nasza technika pozwala uzyskać fragmenty metalicznego drewna, które są 400-krotnie większe, stwierdza Pikul. Opracowana właśnie metoda wykorzystuje niewielkie plastikowe sfery o średnicy kilkuset nanometrów. Sfery znajdują się w wodzie. Woda jest powoli odparowywana, dzięki czemu sfery układają się w uporządkowaną strukturę. Za pomocą galwanostegii na wierzch nakłada się cienką warstwę chromu, a następnie między plastikowe sfery wprowadzany jest nikiel. Później sfery są rozpuszczane. Uzyskujemy w ten sposób kawałek niklu o boku 1 centymetra. W tak małym fragmencie znajduje się około miliarda niklowych wsporników, wyjaśnia Pikul. Jako, że niemal 70% uzyskanego materiału stanowią puste przestrzenie, jest on niezwykle lekki w porównaniu z wytrzymałością. Mógłby unosić się na wodzie. Kolejnym celem zespołu Pikula jest opracowanie takiej metody produkcji, by można było wykorzystać ją w celach komercyjnych. Użyte materiały nie są szczególnie kosztowne, jednak problemem jest infrastruktura potrzebna do produkcji. W tej chwili jej rozmiary są znacząco ograniczone. Gdy zaś powstaną próbki większych rozmiarów, naukowcy będą mogli przeprowadzić dodatkowe testy w makroskali. Nie wiemy, na przykład, czy nasze metaliczne drewno pod wpływem przyłożonej siły będzie się gięło jak metal, czy rozpryśnie się jak szkło. Musimy rozumieć, jak defekty w strukturze wsporników wpływają na właściwości naszego metalicznego drewna, dodaje uczony. Zanim jednak powstaną metody produkcji większych kawałków materiału, Pikul i jego zespół będą próbowali wykorzystać puste przestrzenie do wprowadzenia tam innych materiałów. Pewnego dnia może uda się te przestrzenie wypełnić żywymi organizmami lub materiałami przechowującymi energię, prognozuje naukowiec. « powrót do artykułu

Na University of Cambridge powstała technika pozyskiwania wysokiej jakości grafenu w temperaturze ponaddwukrotnie niższej niż dotychczas. Osiągnięcie to znakomicie ułatwi zastosowanie grafenu w praktyce. Zespół pracujący pod kierunkiem Roberta Weatherupa i Bernharda Bayera nałożył cienką warstwę złota na nikiel, na którym wzrasta grafen. To pozwoliło obniżyć temperaturę, w której tworzony jest grafen do zaledwie 450 stopni Celsjusza. Obecnie najlepszą znaną metodą pozyskiwania wysokiej jakości grafenu jest osadzanie z fazy gazowej. W tym celu podłoże z niklu lub miedzi, które działa jak katalizator, poddaje się działaniu gazu zawierającego węgiel. W temperaturze ponad 1000 stopni Celsjusza dochodzi do osadzenia się warstwy węgla na podłożu. Powstaje grafen. Metoda taka nie jest jednak pozbawiona wad. Wysokie temperatury niszczą część materiałów, które są wykorzystywane w produkcji elektroniki, przez co nie można z grafenu bezpośrednio tworzyć układów scalonych. Tymczasem, jak odkryli brytyjscy uczeni, wystarczy do niklu dodać mniej niż 1% złota, by można było obniżyć temperaturę pracy z grafenem do 450 stopni Celsjusza. Co więcej, pozyskany w ten sposób grafen jest lepszej jakości. W tradycyjnej technice produkcji grafen pojawia się na całej powierzchni niklu i poszczególne kawałki tworzą się niezależnie. Z czasem powiększają się i łączą ze sobą, ale miejsca połączeń są mniej doskonałe niż pozostała powierzchnia grafenu i elektrony nie poruszają się nich równie swobodnie. Tymczasem złoto blokuje wzrost grafenu. Pozwala zatem otrzymywać jednolite płachty, które rosły przez dłuższy czas, ale jako że nie napotkały na swojej drodze innych skrawków grafenu, nie łączyły się z nimi i nie występują w nich „szwy". Złoto pozwala zatem nie tylko na pozyskanie grafenu w znacznie niższej temperaturze, ale również na produkcję materiału o lepszych właściwościach. Uczeni z Cambridge przeprowadzili przy okazji szczegółowe badania nad wzrostem grafenu. Dowiedzieli się, że do osadzania się grafenu nie dochodzi tylko w czasie, gdy podłoże jest schładzane oraz że na wzrost wpływa nie tylko powierzchnia katalizatora, ale też obszar poniżej. Grafen wciąż jest przedmiotem laboratoryjnych badań i nie trafił jeszcze na linie produkcyjne. Jednak dzień jego rynkowego debiutu jest coraz bliżej. Idealnie byłoby, gdyby grafen udało się produkować bezpośrednio na izolatorze. Obecnie trzeba go przenosić z podłoża, na którym jest tworzony, na podłoże, gdzie ma powstać obwód. Problem w tym, że izolatory słabo sprawdzają się w roli katalizatorów do pozyskiwania grafenu z fazy gazowej. Badania nad wzrostem grafenu to wciąż młoda dziedzina wiedzy, ale rozwija się bardzo szybko - stwierdził Weatherup.

Tobołki alpejskie (Thlaspi caerulescens) gromadzą w swoich liściach metale. W związku z tym nazywa się je hiperakumulatorami niklu, cynku, manganu i kadmu. Okazuje się, że zabieg ten chroni rośliny przed infekcjami bakteryjnymi. Tobołki rosną na glebach bogatych w metale, takich jak byłe wyrobiska górnicze. Badacze z Uniwersytetu Oksfordzkiego wykazali, że dzięki kadmowi czy manganowi rośliny stają się oporne na ataki bakterii Pseudomonas syringae pv. maculicola (mikroorganizmy te sieją spustoszenie wśród kapustowatych, do których należą też tobołki, wywołując m.in. bakteryjne gnicie róż kalafiora czy w przypadku kapusty pekińskiej pieprzową plamistość). Nasze wyniki pokazują, że tobołki wykorzystują bogate w metale środowisko, by uzbroić się przeciw chorobom. [...] Odkryliśmy bezpośredni związek między wysokimi stężeniami metali a opornością na infekcje bakteryjne – opowiada współautorka raportu opublikowanego w PLoS Pathogens dr Gail Preston. Studentka Helen Fones uprawiała rośliny z rodzaju Thlaspi, stopniowo zwiększając zawartość cynku, niklu i kadmu w glebie. Wykazała, że tobołki potrafiły się bronić przed patogenami. Badając poszczególne szczepy bakteryjne, zademonstrowała, że istnieje zależność między zdolnością bakterii do wzrostu w obecności wysokich stężeń metali a ich zdolnością infekowania roślin. Wcześniej trudno było wyjaśnić, czemu przedstawiciele rodzaju tobołków gromadzą tak duże ilości potencjalnie toksycznych metali. Nasze badania są dobrym dowodem na to, że akumulując wymienione wyżej pierwiastki, rośliny te zwiększają swoją ochronę przed wrogami, takimi jak patogenne mikroorganizmy i roślinożercy – podkreśla prof. Andrew Smith. Brytyjczycy zademonstrowali też, że bakterie występujące na tobołkach rosnących na terenie nieczynnej kopalni cynku w Walii wykazują większą tolerancję tego metalu niż bakterie zasiedlające rośliny z gleb uboższych w Zn. Oznacza to, że zarówno rośliny, jak i mikroorganizmy rozwijają lokalne przystosowanie, by przeżyć w specyficznym środowisku, ale również to, że bakterie mogą kiedyś przezwyciężyć "metalową zbroję" tobołków.

Jak uniknąć konsekwencji wyczerpania się złóż rzadkich pierwiastków? Najbardziej oczywistym rozwiązaniem wydaje się poszukiwanie substancji o podobnych właściwościach. Jak wynika z badań przeprowadzonych przez prof. A. Welforda Castlemana z Penn State University, zadanie to może być znacznie prostsze, niż się wydaje. Ponieważ wiele właściwości chemicznych pierwiastków zależy od konfiguracji tzw. powłoki walencyjnej, czyli zgrupowania elektronów najbardziej oddalonych od jądra atomu, badacz z amerykańskiej uczelni chciał sprawdzić, czy proste związki mogą posłużyć jako "elektronowe imitacje" metali. Powodzenie takiego eksperymentu oznaczałoby, że w niektórych zastosowaniach substancje te mogłyby z powodzeniem zastępować czyste metale, przynosząc w ten sposób niemałe oszczędności. W swoich badaniach prof. Castleman poszukiwał odpowiedników niklu, palladu (6. najdroższego pierwiastka świata w przeliczeniu na masę) oraz platyny (2. miejsce na tej samej liście). Właściwości analizowanych metali oraz kandydatów do ich zastąpienia porównywano dzięki spektroskopii fotoelektronowej. Metoda ta polega na ocenie ilości energii potrzebnej do oderwania elektronów z powłok walencyjnych atomów znajdujących się w różnych stanach energetycznych. Porównywalne wyniki analiz dwóch pierwiastków bądź związków mogą być w związku z tym zapowiedzią ich podobnych właściwości chemicznych. Jak wykazano na podstawie przeprowadzonych analiz, atomy niklu wykazują w spektroskopii fotoelektronowej niemal identyczny obraz jak tlenek tytanu (II). Pallad przypomina z kolei cząsteczki tlenku cyrkonu (II), zaś platyna - molekuły węgliku wolframu. Związki "naśladujące" badane metale można więc zaliczyć do tzw. superatomów, czyli cząsteczek o właściwościach podobnych do znanych pierwiastków. Prawdopodobnie najważniejszym aspektem dokonanego odkrycia jest fakt, iż dane zebrane na podstawie badań zespołu prof. Castlemana układają się w logiczne i dające się przewidzieć serie. Oznacza to, że dla wielu drogich lub trudno dostępnych metali stosowanych np. jako elementy konstrukcyjne bądź katalizatory można znaleźć tanie i równie efektywne superatomowe zamienniki. Niewykluczone, że wdrożenie tej wiedzy do zastosowania w przemyśle może więc wywołać niemałe zamieszanie zarówno na giełdach surowcowych, jak i na rynkach produktów wytworzonych przy pomocy superatomów.

Na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej powstał materiał, który umożliwi przechowywanie informacji z 20 płyt HD DVD na powierzchni około 1 cm2. Nowy materiał jest dziełem zespołu pracującego pod kierunkiem doktora Jagdisha Naryana i profesora Johna C. C. Fana. Naukowcy wykorzystali technologię domieszkowania, podczas której do materiału dodaje się obce jony lub atomy, zmieniając właściwości materiału. Amerykańscy uczeni dodali do tlenku magnezu metaliczny nikiel. Uzyskany w ten sposób materiał zawierał klastry atomów niklu, których rozmiary nie przekraczały 10 nanometrów kwadratowych. To 10-krotnie mniej, niż można uzyskać przy obecnie wykorzystywanych technikach. W ten sposób możliwe będzie 50-krotne zwiększenie pojemności układów scalonych. W układzie, który dotychczas mieścił 20 gigabajtów danych, będzie możliwe zapisanie terabajta informacji.