Skocz do zawartości
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Jony w nanorurkach

Rekomendowane odpowiedzi

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.

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

Jeśli chcesz dodać odpowiedź, zaloguj się lub zarejestruj nowe konto

Jedynie zarejestrowani użytkownicy mogą komentować zawartość tej strony.

Zarejestruj nowe konto

Załóż nowe konto. To bardzo proste!

Zarejestruj się

Zaloguj się

Posiadasz już konto? Zaloguj się poniżej.

Zaloguj się

  • Podobna zawartość

    • przez KopalniaWiedzy.pl
      Pokrycie implantów stawów kolanowych rodnikami sprawia, że są one przez organizm postrzegane jako ciała w mniejszym stopniu obce. Zmniejsza to ryzyko odrzucenia protez przez organizm.
      Prof. Marcela Bilek z Uniwersytetu w Sydney sądzi, że wolne rodniki tworzą wokół powierzchni implantu coś w rodzaju czapki niewidki.
      Australijczycy wyjaśniają, że implanty stawów kolanowych czy biodrowych, stenty itp. z definicji wymagają kontaktu struktur biologicznych z metalem czy plastikiem. Kiedy jednak białka stykają się ze sztucznymi powierzchniami, ulegają denaturacji i zatracają swoją konformację przestrzenną, która jest im niezbędna do prawidłowego funkcjonowania. Organizm próbuje je naprawiać, a gdy się to nie udaje, wskutek nadmiernego włóknienia implant zostaje otoczony grubą warstwą tkanki bliznowatej.
      Naukowcy z antypodów wyszli z założenia, że potrzebne są silnie wiążące (się) powierzchnie, które nie wywołują denaturacji kompatybilnego białka. Tradycyjne powierzchnie hydrofilne spełniają jeden z tych warunków - nie prowadzą do denaturacji unieruchomionych protein - ale niestety, wykazują do nich niskie powinowactwo. Po przejrzeniu literatury przedmiotu i wygenerowaniu własnych hipotez zespół Bilek przetestował więc metodę wykorzystującą naczynie z plazmą i strumienie jonów. Dzięki niej uzyskano powierzchnię hydrofilną, zdolną do wiązania kowalencyjnego z czynnymi biologicznie cząsteczkami. Podczas eksperymentów okazało się bowiem, że siły elektrostatyczne powodują, iż jony w plazmie uderzają w powierzchnię materiału, np. metalu, i zaczynają go penetrować, prowadząc do powstania rodników z niesparowanymi elektronami. Po wyjęciu powierzchni z plazmy rodniki migrują na powierzchnię, gdzie reagują z tlenem z powietrza. Wskutek tego materiał staje się hydrofilny i przyciąga białka, które są normalnie złożone w taki sposób, że część wykazująca powinowactwo do wody znajduje się na zewnątrz. Z czasem coraz więcej rodników migruje na powierzchnię, dzięki czemu między nimi a białkami mogą powstać wiązania kowalencyjne.
      Australijczycy udowodnili, że czas utworzenia monowarstwy kowalencyjnie związanych białek zależy od kinetyki, a także liczby cząsteczek protein w roztworze oraz wolnych rodników w rezerwuarze pod powierzchnią badanego materiału. Jako że magazyn rodników można wytworzyć w każdym ciele stałym, metoda zespołu Bilek sprawdzi się w odniesieniu do różnego rodzaju urządzeń biomedycznych, od stentów po płucoserca. Warto też wspomnieć o ich potencjale w zakresie wykrywania patogenów. W tego rodzaju czujnikach rodniki zapobiegałyby odkształceniu białek stosowanych do detekcji szkodliwych bakterii czy wirusów. Powłoka zostanie też zapewne wdrożona w mikromacierzach ułatwiających leczenie wczesnych etapów chorób.
      Bilek tłumaczy, że jako część powłoki wolne rodniki pozostają związane i nie mogą poczynić szkód w DNA komórek. Obecnie trwają prace nad białkami do tworzonych powłok, które "zachęcałyby" tkanki do integrowania ze sztucznymi powierzchniami.
    • przez KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Uniwersytetu w Valladolid zbadali 40 marek piwa z 5 kontynentów i stwierdzili, że ciemne piwa mają więcej niezwiązanego z białkami wolnego żelaza niż piwa jasne i bezalkoholowe (Journal of the Science of Food and Agriculture).
      Hiszpanie wykazali, że w piwach ciemnych średnia zawartość wolnego żelaza wynosiła 121 części na miliard, a w piwach jasnych i bezalkoholowych, odpowiednio, 92 i 63 ppb (od ang. parts per bilion).
      Chociaż to bardzo małe ilości, różnice są widoczne i mogą być wynikiem procesu produkcyjnego lub wykorzystanych surowców [słodu i ekstraktu chmielowego] – wyjaśnia prof. Carlos Blanco. Ważnym etapem produkcji jasnego piwa jest filtrowanie przez ziemię okrzemkową, czyli zmieloną skałę osadową, zbudowaną z silnie porowatych okrzemek. Wiąże się to z wychwytywaniem żelaza. W przypadku piwa bezalkoholowego stosuje się destylację próżniową, która także zmniejsza stężenie jonów żelaza. Są one pociągane za lotnymi cząsteczkami.
      Posługując się techniką różnicowej pulsowej woltamperometrii adsorpcyjnej, zespół z Valladolid zbadał 17 hiszpańskich piw i 23 z innych krajów: 28 jasnych, 6 ciemnych i 6 bezalkoholowych. Najwyższą zawartość żelaza wykryto w ciemnym piwie hiszpańskim (165 ppb), a najniższą w pewnym piwie holenderskim (41 ppb).
      Żelazo pomaga utlenić związki organiczne, które zapewniają piwu stabilność oraz smak. Trzeba jednak pamiętać, że zbyt wysokie stężenia tego pierwiastka (0,1 mg/dm3) negatywnie wpływają na rozwój drożdży. Poza tym w takich warunkach zachodzą niekorzystne zmiany sensoryczne (ciemnienie). Gdy zawartość żelaza w wodzie przekracza 0,3 mg/dm3, jest ona niesmaczna, co oczywiście, przekłada się także na właściwości piwa, które może mieć cierpki posmak. Tworząca się na nim podczas nalewania piana miewa silne zabarwienie.
      Żelazo jest niezbędnym metalem. Wchodzi w skład wielu białek i enzymów, które odgrywają kluczową rolę w różnych procesach, np. transporcie tlenu (hemoglobina) czy syntezie DNA. Warto jednak podkreślić, że żelazo ma też swoją "ciemną stronę". Jony metali przejściowych, w tym żelaza (Fe+3, Fe+2), katalizują bowiem reakcję, w ramach której nadtlenek wodoru tworzy rodnik hydroksylowy. Jest on tak reaktywny, że reaguje z każdą napotkaną cząsteczką.
    • przez KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z Narodowych Instytutów Standardów i Technologii (NIST) jako pierwsi w historii doprowadzili do splątania dwóch jonów za pomocą mikrofal. Dotychczas w tym celu wykorzystywano lasery.
      Prace te pokazują, że w przyszłości możliwe będzie zastąpienie wielkich systemów laserowych niewielkimi źródłami mikrofal, takimi jak np. wykorzystywane w telefonach komórkowych.
      Mikrofale już wcześniej były używane do manipulowania jonami, jednak teraz, dzięki umieszczeniu źródła ich emisji bardzo blisko jonów, w odległości zaledwie 30 mikrometrów, udało się uzyskać splątanie atomów. Możliwość splątywania cząsteczek to jeden z podstawowych warunków transportu informacji i korekcji błędów w przyszłych komputerach kwantowych.
      Podczas swoich prac naukowcy wykorzystali źródło mikrofal umieszczone w układzie scalonym zintegrowane z pułapką jonową oraz stołowy zestaw laserów, luster i soczewek. Zestaw ten jest dziesięciokrotnie mniejszy niż dotychczas wykorzystywane. Użycie ultrafioletowego lasera o niskiej mocy wciąż jest koniecznością, gdyż za jego pomocą chłodzi się jony i obserwuje wyniki badań. Jednak w przyszłości cały zespół lasera można będzie zminiaturyzować do rozmiarów laserów używanych np. w odtwarzaczach DVD.
      Możliwe, że średniej wielkości komputer kwantowy będzie przypominał telefon komórkowy połączony z urządzeniem podobnym do laserowego wskaźnika, a zaawansowane maszyny będą wielkości współczesnego peceta - mówi fizyk Dietrich Leibfried, współautor badań. Chociaż kwantowe komputery raczej nie będą urządzeniami, które każdy będzie chciał nosić przy sobie, to będą mogły używać elektroniki podobnej do tej, jaka jest obecnie wykorzystywana w smartfonach do generowania mikrofal. Podzespoły takie są dobrze znane i już obecne na rynku. Taka perspektywa bardzo nas ekscytuje - dodaje uczony.
      W czasie eksperymentów dwa jony zostały złapane w elektromagnetyczną pułapkę. Nad pułapką znajdował się układ scalony zawierający elektrody z azotku glinu pokrytego złotem. Elektrody były aktywowane, by wywołać impulsy promieniowania mikrofalowego oscylujące wokół jonów. Ich częstotliwość wahała się od 1 do 2 gigaherców. Mikrofale doprowadziły do powstania pola magnetycznego, które z kolei wywołało rotację spinów. Jeśli moc takiego pola magnetycznego jest w odpowiedni sposób zwiększana, można doprowadzić do splątania jonów. Metodą prób i błędów, wykorzystując przy tym zestaw trzech elektrod, udało się uczonym odnaleźć właściwy sposób manipulowania polem magnetycznym i doprowadzić do splątania.
      Wykorzystanie mikrofal w miejsce laserów ma i tę zaletę, że zmniejsza liczbę błędów, które są powodowane niestabilnościami w promieniu lasera oraz zapobiega pojawieniu się w jonach spontanicznej emisji wywoływanej światłem laserowym. Jednak technika mikrofalowego splątania musi zostać jeszcze udoskonalona. Uczonym z NIST udało się uzyskać splątanie w 76% przypadków. Tymczasem za pomocą lasera uzyskuje się wynik rzędu 99,3 procenta.
    • przez KopalniaWiedzy.pl
      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.
    • przez KopalniaWiedzy.pl
      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.
  • Ostatnio przeglądający   0 użytkowników

    Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.

×
×
  • Dodaj nową pozycję...