Sammanfattning: Nanoteknik

Extra långa molekyler
Kolnanorör sträcker ut sig

Sammanhang: Lite mer än en nanometer breda har kolnanorör blivit superstjärnor i nanovärlden: ovanligt starka, elektriskt ledande och stabila vid höga temperaturer. Fibrer som består av nanorör bör överträffa de som är gjorda av alla befintliga material. Men längden på rören – de flesta är bara tiondels millimeter långa – kräver att de ställs i linje för toppprestanda. Nu har forskare vid Los Alamos National Laboratory och Duke University skapat nanorör som är centimeter långa och vars längd endast kontrolleras av storleken på kammaren som används för att skapa dem.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2005

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Metoder och resultat: Los Alamos-teamet syntetiserade nanorören genom att strömma etanolångor vid 900 grader C över en järnkatalysator placerad på en kiselskiva. Rör växte från dessa katalysatorfläckar; katalysatorn trycktes längs skivans yta i gasflödets riktning. De längsta rören växte till fyra centimeter som raka linjer över kiselskivans längd och slutade endast vid skivans kant.

Varför det är viktigt: Buntar av kolnanorör, spunna som fibrer, har marknadsförts för tillämpningar där hög styrka och låg vikt är avgörande, från sportutrustning som golfklubbor eller tennisracketar till science fiction-drömmar om hissar som sträcker sig ut i rymden. Även om de kortare rören har många lovande tillämpningar i sig, har buntar av dem misslyckats med att prestera upp till sin potential på grund av svaga länkar mellan rören. Att förlänga rören minskar dessa problem, vilket för forskare närmare att utnyttja den anmärkningsvärda styrkan och konduktiviteten hos nanorörsbuntar. Men forskarna från Los Alamos och Duke har gjort mer än att föra fram en teknik; de har gjort det otänkbara, byggt individuella molekyler så långa som ett gem.

Källa: Zheng, L. X. et al. (2004) Ultralånga enkelväggiga kolnanorör. Naturmaterial 3: 673-6.

Nanokokare
En vänligare väg till zeoliter

Sammanhang: Mineraler som kallas zeoliter är viktiga för industriell kemi eftersom de hjälper till att omvandla råolja till användbara kemikalier, inklusive de material som används i plast. Genom att dramatiskt minska kostnaderna för petrokemikalier gör zeoliter allt från piller till fickskydd billigare. Nu har forskare vid University of St. Andrews i Skottland upptäckt ett sätt att göra dessa nanostrukturerade mineraler som inte bara är billigare utan också snabbare, säkrare och mindre giftiga.

Metoder och resultat: Zeoliter tillverkas vanligtvis i varmt vatten vid farligt höga tryck. Mineralerna är fulla av nanometer breda porer; molekyler instoppade i dessa porer reagerar snabbt och rent. Kemister skapar zeoliterna genom en kondensationsreaktion, under vilken mineralprekursorer kapslar in molekyler som lagts till som mallar och bildar ett poröst fast ämne. Istället för att göra zeoliter i vatten använde Emily Cooper, en postdoc i kemi vid St. Andrews, och hennes kollegor flytande salter vid en relativt låg temperatur. Dessa vätskor är gjorda av laddade molekyler, eller joner, så mineralprekursorer kondenserar runt dem direkt, vilket eliminerar behovet av mallar. Efteråt avlägsnas saltjonerna och lämnar en struktur med nanometerstora hål. Receptet gav fem nya nanoporösa material; två representerade klasser som aldrig tidigare setts.

Varför det är viktigt: Standardprocessen för att tillverka zeoliter är dyr och farlig, och den kräver specialutrustning. Med den nya tekniken borde även ett gymnasielaboratorium kunna göra dem. De miljontals möjliga saltkompositioner som produceras genom denna process kan resultera i skapandet av familjer av zeoliter med helt nya funktioner, vilket leder till bättre och billigare vardagsprodukter.

Källa: Cooper, E. R. et al. (2004) Joniska vätskor och eutektiska blandningar som lösningsmedel och mall vid syntes av zeolitanaloger. Natur 430: 1012-6.

Måste se skarp ut
Atomkraftsmikroskopi gör elektriska mätningar

Sammanhang: Korrosionshastigheten i enheter som batterier och halvledare dikteras ofta av nanometerstora defekter. Ledande atomkraftsmikroskop (AFM) kan avbilda dessa nanoflaws, men att noggrant mäta deras elektriska egenskaper kräver att man vet hur mycket av mikroskopets vassa ledande spets som kommer i kontakt med den aktiva ytan. Med hjälp av en matematisk modell har Ryan O'Hayre, en biträdande professor vid Stanford University Department of Mechanical Engineering, och hans kollegor hittat ett sätt att indirekt mäta denna kontaktyta, övervinna gränsen för ledande spetsmikroskopi och förbättra kvalitetskontrollen.

Metoder och resultat: Forskare använde en platinabelagd AFM-spets för att övervaka reaktionen mellan väte och syre vid ytan av ett polymerbränslecellmembran; bränslecellen valdes för att visa att mätningar i nanoskala kan korrelera med resultat i makroskala. Reaktionshastigheten beror på hur mycket kraft spetsen utövar på membranet: kraften trycker ihop materialen, vilket gör att de deformeras något, och därmed ökar området för interaktion mellan de två. Av avgörande betydelse visade forskarna att interaktionsområdet kan uppskattas genom att bestämma membranets hårdhet, tillsammans med några antaganden och matematiska knep. Forskarna experimenterade över tre storleksordningar av kraft mellan spets och prov, och deras resultat överensstämde alla med konventionella experiment, vilket gjorde dem mer trovärdiga.

Varför det är viktigt: Att genomföra AFM kan ge upplösning i nanoskala till elektriska mätningar av halvledare, bränsleceller, batterier och andra enheter. Men även om det var möjligt att mäta relativa förändringar i egenskaper som konduktivitet, kapacitans och impedans över ytan av ett enda materialprov, hade det varit omöjligt att jämföra sådana mätningar mellan material. Att utföra AFM, även om det var kapabelt att hitta brister, kunde inte mäta deras absoluta svårighetsgrad, eftersom olika material interagerade med AFM-spetsen på olika sätt. Denna förfining kan omvandla ledande AFM från ett forskningsinstrument till ett användbart verktyg i ett antal branscher.

Källa: O’Hayre, R. et al. (2004) Kvantitativ impedansmätning med hjälp av atomkraftsmikroskopi. Journal of Applied Physics 96: 3540-9.

Dölj