211service.com
Synopsis: Nanotechnologie
Extralange moleculen
Koolstof nanobuisjes strekken zich uit
Context: Niet meer dan een nanometer breed zijn koolstofnanobuisjes de supersterren van de nanowereld geworden: ongewoon sterk, elektrisch geleidend en stabiel bij hoge temperaturen. Vezels die zijn samengesteld uit nanobuisjes zouden beter moeten presteren dan die gemaakt van bestaand materiaal. De lengte van de buizen - de meeste zijn slechts tienden van een millimeter lang - vereist echter dat ze worden opgesteld voor topprestaties. Nu hebben onderzoekers van Los Alamos National Laboratory en Duke University nanobuisjes gemaakt die centimeters lang zijn en waarvan de lengte alleen wordt gecontroleerd door de grootte van de kamer die is gebruikt om ze te maken.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2005
- Zie de rest van het probleem
- Abonneren
Methoden en resultaten: Het Los Alamos-team heeft de nanobuisjes gesynthetiseerd door ethanoldampen bij 900 graden C over een ijzerkatalysator te laten stromen die op een siliciumwafel is gespot. Uit deze katalysatorplekken groeiden buizen; de katalysator werd in de richting van de gasstroom over het wafeloppervlak geduwd. De langste buizen groeiden tot vier centimeter als rechte lijnen over de lengte van de siliciumwafel en eindigden alleen aan de rand van de wafel.
Waarom het uitmaakt: Bundels van koolstofnanobuisjes, gesponnen als vezels, zijn gepromoot voor toepassingen waar een hoge sterkte en een laag gewicht van cruciaal belang zijn, van sportuitrusting zoals golfclubs of tennisrackets tot sciencefictiondromen van liften die zich uitstrekken tot in de ruimte. Hoewel de kortere buizen op zichzelf veel veelbelovende toepassingen hebben, hebben bundels ervan hun potentieel niet gehaald vanwege zwakke verbindingen tussen de buizen. Het verlengen van de buizen vermindert deze problemen, waardoor onderzoekers dichter bij het benutten van de opmerkelijke sterkte en geleidbaarheid van nanobuisbundels komen. Maar de onderzoekers van Los Alamos en Duke hebben meer gedaan dan alleen een technologie vooruithelpen; ze hebben het ondenkbare gedaan door individuele moleculen te bouwen zo lang als een paperclip.
Bron: Zheng, L.X. et al. (2004) Ultralange enkelwandige koolstofnanobuizen. Natuurmaterialen 3: 673-6.
Nanoketels
Een vriendelijkere route naar zeolieten
Context: Mineralen die zeolieten worden genoemd, zijn essentieel voor de industriële chemie omdat ze ruwe aardolie helpen omzetten in bruikbare chemicaliën, inclusief de materialen die in kunststoffen worden gebruikt. Door de kosten van petrochemicaliën drastisch te verlagen, maken zeolieten alles, van pillen tot zakbeschermers, betaalbaarder. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van St. Andrews in Schotland een manier ontdekt om deze nanogestructureerde mineralen te maken die niet alleen goedkoper is, maar ook sneller, veiliger en minder giftig.
Methoden en resultaten: Zeolieten worden meestal gemaakt in heet water bij gevaarlijk hoge druk. De mineralen zijn bezaaid met nanometerbrede poriën; moleculen die zich in deze poriën bevinden, reageren snel en netjes. Chemici maken de zeolieten door een condensatiereactie, waarbij minerale voorlopers moleculen inkapselen die als templates zijn toegevoegd, waardoor een poreuze vaste stof wordt gevormd. In plaats van zeolieten in water te maken, gebruikten Emily Cooper, een postdoc scheikunde in St. Andrews, en haar collega's vloeibare zouten bij een relatief lage temperatuur. Deze vloeistoffen zijn gemaakt van geladen moleculen of ionen, zodat minerale voorlopers er direct omheen condenseren, waardoor er geen sjablonen nodig zijn. Daarna worden de zoutionen verwijderd, waardoor een structuur met gaten ter grootte van een nanometer overblijft. Het recept leverde vijf nieuwe nanoporeuze materialen op; twee vertegenwoordigde klassen die nog nooit eerder waren gezien.
Waarom het uitmaakt: Het standaardproces voor het maken van zeolieten is duur en gevaarlijk en vereist gespecialiseerde apparatuur. Met de nieuwe techniek zou zelfs een middelbare schoollaboratorium ze moeten kunnen maken. De miljoenen mogelijke zoutsamenstellingen die door dit proces worden geproduceerd, zouden kunnen leiden tot het ontstaan van families van zeolieten met geheel nieuwe functies, wat leidt tot betere en goedkopere alledaagse producten.
Bron: Cooper, E.R. et al. (2004) Ionische vloeistoffen en eutectische mengsels als oplosmiddel en sjabloon bij de synthese van zeolietanalogen. Natuur 430: 1012-6.
Moet er scherp uitzien
Atoomkrachtmicroscopie maakt elektrische metingen
Context: De mate van corrosie in apparaten zoals batterijen en halfgeleiders wordt vaak bepaald door onvolkomenheden ter grootte van nanometers. Geleidende atoomkrachtmicroscopen (AFM's) kunnen deze nanofouten in beeld brengen, maar om hun elektrische eigenschappen nauwkeurig te meten, moet u weten hoeveel van de scherpe geleidende punt van de microscoop in contact komt met het actieve oppervlak. Met behulp van een wiskundig model hebben Ryan O'Hayre, een assistent-professor aan de Stanford University Department of Mechanical Engineering, en zijn collega's een manier gevonden om dit contactgebied indirect te meten, een limiet van geleidende tipmicroscopie te overwinnen en de kwaliteitscontrole te verbeteren.
Methoden en resultaten: Onderzoekers gebruikten een met platina gecoate AFM-tip om de reactie tussen waterstof en zuurstof aan het oppervlak van een polymeer brandstofcelmembraan te volgen; de brandstofcel is gekozen om aan te tonen dat metingen op nanoschaal kunnen correleren met resultaten op macroschaal. De snelheid van de reactie hangt af van hoeveel kracht de punt op het membraan uitoefent: de kracht duwt de materialen tegen elkaar, waardoor ze iets vervormen, en zo het interactiegebied tussen de twee vergroot. Cruciaal was dat de onderzoekers toonden dat het interactiegebied kan worden geschat door de hardheid van het membraan te bepalen, vergezeld van enkele aannames en wiskundige trucs. De onderzoekers experimenteerden met drie ordes van grootte van kracht tussen tip en monster, en hun resultaten waren allemaal consistent met conventionele experimenten, waardoor ze geloofwaardiger werden.
Waarom het uitmaakt: Het uitvoeren van AFM kan resolutie op nanoschaal geven aan elektrische metingen van halfgeleiders, brandstofcellen, batterijen en andere apparaten. Maar hoewel het mogelijk was om relatieve veranderingen in eigenschappen zoals geleidbaarheid, capaciteit en impedantie over het oppervlak van een enkel materiaalmonster te meten, was het onmogelijk om dergelijke metingen tussen materialen te vergelijken. Het uitvoeren van AFM, hoewel in staat om gebreken te vinden, kon hun absolute ernst niet meten, omdat verschillende materialen op verschillende manieren in wisselwerking stonden met de AFM-tip. Deze verfijning kan geleidende AFM van een onderzoeksinstrument tot een bruikbaar instrument maken in een aantal branches.
Bron: O'Hayre, R. et al. (2004) Kwantitatieve impedantiemeting met behulp van atoomkrachtmicroscopie. Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde 96: 3540-9.