Znajdź zawartość

Naukowcy z University of Chicago opracowali sposób na wytwarzanie materiału, który można produkować równie łatwo jak plastik, ale który przewodzi elektryczność tak dobrze, jak metale. Na łamach Nature uczeni opisali, w jaki sposób stworzyć dobrze przewodzący materiał, którego molekuły są nieuporządkowane. Jego istnienie przeczy temu, co wiemy o elektryczności. Nasze odkrycie pozwala na stworzenie nowej klasy materiałów, które przewodzą elektryczność, są łatwe w kształtowaniu i bardzo odporne na warunki zewnętrzne, mówi jeden z głównych autorów badań, profesor John Anderson. To sugeruje możliwość istnienia nowej grupy materiałów, niezwykle ważnej z technologicznego punktu widzenia, dodaje doktor Jiaze Xie. Materiały przewodzące są nam niezbędne w codziennym życiu. To dzięki nim funkcjonują urządzenia napędzane prądem elektrycznym. Najstarszą i największa grupą takich materiałów są metale, jak miedź czy złoto. Około 50 lat temu stworzono przewodniki organiczne, w których materiał wzbogacany jest o dodatkowe atomy. Takie przewodniki są bardziej elastyczne i łatwiej jest je przetwarzać niż metale, jednak są mało stabilne i w niekorzystnych warunkach – przy zbyt wysokiej temperaturze czy wilgotności – mogą tracić swoje właściwości. I metale i przewodniki organiczne mają pewną cechę wspólną – są zbudowane z uporządkowanych molekuł. Dzięki temu elektrony mogą z łatwością się w nich przemieszczać. Naukowcy sądzili więc, że warunkiem efektywnego przewodnictwa jest uporządkowana struktura przewodnika. Jiaze Xie zaczął jakiś czas temu eksperymentować z wcześniej odkrytymi, jednak w dużej mierze pomijanymi, materiałami. Długie łańcuchy węgla i siarki poprzeplatał atomami niklu. Ku zdumieniu jego i jego kolegów okazało się, że taka nieuporządkowana struktura świetnie przewodzi prąd. Co więcej, okazała się bardzo stabilna. Podgrzewaliśmy nasz materiał, schładzaliśmy, wystawialiśmy na działanie powietrza i wilgoci, nawet zamoczyliśmy w kwasie i nic się nie stało, mówi Xie. Najbardziej jednak zdumiewający był fakt, że struktura materiału była nieuporządkowana. On nie powinien tak dobrze przewodzić prądu. Nie mamy dobrej teorii, która by to wyjaśniała, przyznaje profesor Anderson. Andreson i Xie poprosili o pomoc innych naukowców ze swojej uczelni, by wspólnie zrozumieć, dlaczego materiał tak dobrze przewodzi elektryczność. Obecnie naukowcy sądzą, że tworzy on warstwy. I pomimo, że poszczególne warstwy nie są uporządkowane, to tak długo, jak się ze sobą stykają, elektrony mogą pomiędzy nimi swobodnie przepływać. Jedną z olbrzymich zalet nowego materiału jest możliwość łatwego formowania. Metale zwykle trzeba stopić, by uzyskać odpowiedni kształt. To proces nie tylko energochłonny, ale i poważnie ograniczający ich zastosowanie, gdyż oznacza, że inne elementu budowanego układu czy urządzenia muszą wytrzymać wysokie temperatury podczas produkcji. Nowy materiał pozbawiony jest tej wady. Można go uzyskiwać w temperaturze pokojowej i używać tam, gdzie występują wysokie temperatury, środowisko kwasowe, zasadowe czy wysoka wilgotność. Dotychczas wszystkie tego typu zjawiska poważnie ograniczały zastosowanie nowoczesnych technologii. Badania nad nowym materiałem są finansowane przez Pentagon, Departament Energii oraz Narodową Fundację Nauki. « powrót do artykułu

Nieznane dotychczas właściwości bakterii z rodziny Geobacter mogą przyczynić się do rewolucji w nanotechnologii i bioelektronice. Naukowcy z University of Massachusetts Amherst odkryli, że produkowane przez bakterię włókna świetnie przewodzą prąd. Dlatego też uczeni zaczęli o nich mówić „bakteryjne nanoprzewody". Naturalne włókna są równie efektywne jak przewodzące polimery, a ładunek elektryczny podróżuje nimi na znaczne odległości - tysiące razy większe niż długość samej bakterii. Możliwość przewodzenia w ten sposób prądu przez białkowe włókna to zwrot w biologii, który pozwoli nam zrozumieć, w jaki sposób zachodzą różne procesy naturalne. Będzie to można również wykorzystać w praktyce - mówi mikrobiolog Derek Lovley. Zdaniem fizyka Nikhila Malvankara odkrycie to zrewolucjonizuje naszą wiedzę o bakteryjnych biofilmach. U tego gatunku biofilm zawiera proteiny, które zachowują się jak metale, przewodząc prąd na bardzo duże odległości - mówi Malvankar. To odkrycie jest bardzo istotne nie tylko z punktu widzenia biologii, ale również materiałoznawstwa. Możemy teraz badać różne nanomateriały, które są naturalne, nietoksyczne, łatwiejsze w produkcji i tańsze niż materiały wytwarzane przez człowieka. Niewykluczone, że pozwolą one nawet na wykorzystywanie elektroniki w wodzie i wilgotnych środowiskach. Otwiera to nowe możliwości zarówno w dziedzinie biologii jak i produkcji energii - stwierdził inny fizyk, Mark Tuominen. Dotychczas sądzono, że aby białkowe włókna zachowywały się jak metale, konieczna jest obecność dodatkowych protein, zwanych cytochromami. Uczeni z UMass Amherst zauważyli występowanie bardzo dobrego przewodnictwa bez obecności cytochromów. W naturze Geobacter wykorzystuje białkowe nanowłókna w czasie procesu podobnego do oddychania. To, co Geobacter robi ze swoimi nanowłóknami można porównać z oddychaniem przez rurkę o długości 10 kilometrów - mówi Malvankar. Już w 2005 roku uczeni z University of Massachusetts stwierdzili na łamach „Nature", że nanowłókna produkowane przez Geobacter mogą charakteryzować się nieznanymi dotychczas właściwościami. Nie potrafili jednak dokładnie określić natury i mechanizmu działania włókien, przez co ich twierdzenia spotkały się ze znacznym sceptycyzmem. Podczas eksperymentów laboratoryjnych naukowcy zauważyli, że Geobacter rozmnażają się na elektrodach i wytwarzają tam gruby, przewodzący prąd biofilm. Dalsze badania wykazały, że przewodnictwo jest możliwe dzięki produkowanej przez bakterie siatce białkowych nanowłókien. Okazało się również, że ich strukturę można łatwo zmieniać w zależności od potrzeb. Wystarczy bowiem zmiana temperatury otoczenia lub manipulowanie ekspresją genów, by uzyskać nanowłókna o różnych właściwościach.

Próżnia jest powszechnie uznawana za najdoskonalszy izolator. brak atomów powoduje, że ciepło jest bardzo słabo przewodzone. Jednak najnowsze badania pozwoliły naukowcom wpaść na trop materiału, który jeszcze słabiej przewodzi ciepło. Chodzi tutaj o warstwy fotonicznych kryształów przedzielonych próżnią. Ciepło może być transferowane pomiędzy materiałai poprzez konwekcję, przewodnictwo i radiację. Dwie pierwsze metody wymagają istnienia materialnego medium, zatem nie działają w próżni. jednak radiacja w postaci światła podczerwonego przemieszcza się w próżni, powodując np. powolne stygnięcie płynu w termosie. Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda pracujący pod kierunkiem Shanhuia Fana już w ubiegłym roku zaczęli zastanawiać się, czy istnieje lepszy izolator od próżni. Z ich teoretycznych wyliczeń wynikało, że mogą to być kryształy fotoniczne. Powstają one w naturze (np. opal), można je również wytworzyć w laboratorium. Ich szczególną cechą jest struktura o okresowo rozłożonym współczynniku załamania. Mamy w niej do czynienia z fotoniczną przerwą energetyczną, a więc nie przechodzi przezeń konkretna długość fali świetlnej. Uczeni odkryli, że struktura o grubości 100 mikrometrów, zbudowana z 10 warstw kryształów o grubości 1 mikrometra każda, pomiędzy którymi znajdują się 10-mikrometrowe obszary próżni, powoduje, że przewodnictwo cieplne jest o 50% mniejsze niż w przypadku zastosowania samej próżni. Dalsze badania dowiodły, że nie zależy ono od grubości warstw kryształów, ale od współczynnika załamania światła. Odkrycie to może mieć liczne zastosowania. Na przykład tam, gdzie energia słońca jest wykorzystywana do podgrzewania, przyda się materiał, który będzie przepuszczał światło widzialne, ale zatrzyma ciepło.

Dwoje węgierskich naukowców z Budapesztu, Laszlo Laufer i Bottyan Nemeth, opracowali technologię, która na 2 sekundy przed naciśnięciem przez gracza klawisza myszki, pozwala przewidzieć jego ruch. Odbywa się to dzięki pomiarowi przewodnictwa skóry. Z jednej strony odkrycie Węgrów może doprowadzić to stworzenia urządzeń, które przyspieszą reakcje graczy, z drugiej pozwala na opracowanie najbardziej frustrującej gry na świecie – takiej, która będzie „wiedziała”, co i kiedy ma zamiar zrobić gracz. Laufer i Bottyan badali ochotników grających w YetiSports JungleSwing. Podczas rozgrywki mierzono ich puls, przewodnictwo skóry i aktywność mózgu. Następnie zebrane dane poddano analizie by sprawdzić, czy znajduje się w nich wskazówka dotycząca momentu, w którym gracz chciał nacisnąć klawisz myszy. Ku zaskoczeniu naukowców okazało się, że nawet 2 sekundy przed kliknięciem myszką, pojawiły się zmiany w przewodnictwie skóry. Praca budapesztańskich uczonych wykracza poza zastosowania w wirtualnej rozrywce. Teoretycznie możliwe byłoby wykorzystanie ich odkrycia np. do skonstruowania systemu, który pozwoli pilotom myśliwców sterowanie uzbrojeniem za pomocą myśli. Wcześniejsze badania skupiały się nad zaprzęgnięciem fal mózgowych i EEG do podobnych zadań. Trzeba przyznać, że odkrycie Węgrów pozwala na budowę znacznie prostszych i tańszych urządzeń spełniających podobne funkcje.