Μικροσκοπικές κατασκευές με τη μορφή λουλουδιών
- 05/06/2021
- ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ
Την επόμενη φορά που θα αγοράσετε λουλούδια για κάποια ειδική περίσταση, να έχετε κατά νου πως οι επιστήμονες κατασκευάζουν μικροσκοπικές ανθοδέσμες, μικρότερες από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Στο εργαστήριο του Κέντρου Νανοεπιστημών, του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, τα μικροσκοπικά - άνθη των νανολουλουδιών από καρβίδιο του πυριτίου αυξάνονται σχεδόν αμέσως...
Την επόμενη φορά που θα αγοράσετε λουλούδια για κάποια ειδική περίσταση, να έχετε κατά νου πως οι επιστήμονες κατασκευάζουν μικροσκοπικές ανθοδέσμες, μικρότερες από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Στο εργαστήριο του Κέντρου Νανοεπιστημών, του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, τα μικροσκοπικά - άνθη των νανολουλουδιών από καρβίδιο του πυριτίου αυξάνονται σχεδόν αμέσως, σε αντίθεση με το τι συμβαίνει σ\' έναν κήπο.
Οι Μαρκ Γουέλαντ και Γκιμ Γουέι Χο χρησιμοποιούν μικροσκοπικά μόρια μετάλλων ως "σπόρους".
"Η βασική αρχή για να αναπτυχθούν όλοι αυτοί οι τύποι δομών είναι πάρουμε ένα μικροσκοπικό μόριο σπόρου, και να το εκθέσουμε σε ένα μίγμα "θρεπτικών ουσιών", όπως ακριβώς και με έναν σπόρο που αναπτύσσεται στον κήπο," εξηγεί ο Γουέλαντ. "Και σε αυτήν την περίπτωση οι θρεπτικές ουσίες είναι διαφορετικά μίγματα αερίων".
Όμως οι επιστήμονες δεν αναπτύσσουν τα νανολουλούδια για την ομορφιά τους. Η ιδιαιτερότητά τους έγκειται στο γεγονός πως απωθούν με το μέγιστο δυνατό τρόπο το νερό, κι επομένως θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να στεγανοποιήσουν τα παρμπρίζ των αυτοκινήτων, εξαλείφοντας την ανάγκη για υαλοκαθαριστήρες. Τα "νανολουλούδια" θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως αδιάβροχο επίστρωμα.
Οι ερευνητές ξεκινούν θερμαίνοντας ένα μικροσκοπικό σταγονίδιο του μετάλλου γάλλιο - μόνο μερικές χιλιάδες άτομα - σ\' έναν φούρνο ελεγχόμενο από υπολογιστή. Κατόπιν διοχετεύουν αέριο μεθάνιο πάνω από το σταγονίδιο, το οποίο έλκεται από τη λειωμένη επιφάνεια και προκαλεί την τοπική αύξηση των μικροσκοπικών, άκαμπτων ράβδων, ή συρμάτων από πυρίτιο (υλικό από το οποίο αποτελείται κι η άμμος) κι άνθρακα.
Ελέγχοντας τη θερμοκρασία και τη ροή του αερίου, οι Χο και Γουέλαντ μπορούν να "πλέξουν" τα σύρματα και να τους δώσουν τη μορφή ενός λουλουδιού. "Μπορούμε κυριολεκτικά να καθίσουμε στον υπολογιστή που ελέγχει αυτό το φούρνο, και να καθορίσουμε τη μορφή και το είδος του προϊόντος που θα παραχθεί, από την παραπάνω διαδικασία", λέει ο Γουέλαντ.
Εντούτοις, οι ερευνητές δεν ανέμεναν τέτοιες όμορφες δομές όταν άρχιζαν τα πειράματα. Σύμφωνα με τον Γουέλαντ, ο μαθητής του Χο, είχε την αρχική ιδέα να δοκιμάσει τη διαδικασία με το ιδιαίτερο μίγμα αερίων και θερμότητας που χρησιμοποιούν. Κι επισημαίνει: "η διαμόρφωση των άκαμπτων νανοσυρμάτων, είναι ήδη μια σχετικά γνωστή διαδικασία, αλλά όταν είδαμε τη μορφή των λουλουδιών στα πειράματά μας, μείναμε άναυδοι".
Τα "νανολουλούδια" εμποδίζουν την υγρασία, τόσο που ένα σταγονίδιο νερού ουσιαστικά αναπηδά από την επιφάνειά τους όπως μια μπάλα. Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την στεγανοποίηση διαφόρων πραγμάτων, όπως αυτοκίνητα, κτίρια, σκάφη αντιπαλεύοντας με τη φθορά που αφήνει ο χρόνος. Κι επειδή η παραγωγή τους απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες, θα μπορούσαν μόνο να εφαρμοστούν σε υλικά όπως το γυαλί, το σκυρόδεμα, και ο χάλυβας.
"Επειδή το υλικό έχει κατασκευαστεί από τα νανοσύρματα, κι όλα συσπειρώνονται για να φτιαχτούν τα λουλούδια, πρόκειται στην ουσία για μικροσκοπικά ελατήρια. Είναι ένα παράδειγμα μιας ιδιότητας που είναι μοναδική στη νανοτεχνολογία: η δημιουργία ενός επιστρώματος εξαιρετικά μικρών μορίων που μπορούν εντελώς να αλλάξουν τις ιδιότητες της ουσίας στην οποία συμμετέχουν.
Τα νανοσύρματα, είναι ιδανικά για την κατασκευή πολύ αποτελεσματικών ηλιακών συλλεκτών. Όταν απλωθούν σε μία επίπεδη επιφάνεια με κατεύθυνση προς τα πάνω, όπως τα φύλλα του γρασιδιού, κι επικαλυφθούν με ένα ειδικό είδος πλαστικού, τα νανοσύρματα δημιουργούν ένα μικροσκοπικό δάσος που συλλέγει, την ηλιακή ενέργεια, χωρίς να επιτρέπει την απελευθέρωσή της", εξηγεί ο Γουέλαντ.
Η μαζική παραγωγή τέτοιων πολύ αποτελεσματικών ηλιακών συλλεκτών θα μπορούσε να επιφέρει οφέλη ειδικά στον αναπτυσσόμενο κόσμο, όπου η ενέργεια του ήλιου είναι άφθονη, αλλά η χρησιμοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια είναι λιγοστή κι ακριβή.
Ο Γουέλαντ δίνει ένα παράδειγμα, μεταφοράς και διατήρησης θερμοευαίσθητων φαρμάκων στις υψηλές θερμοκρασίες της αφρικανικής ερήμου: "εάν είχατε ένα φτηνό κι αποδοτικό ηλιακό συσσωρευτή που τροφοδοτεί ένα ψυγείο, θα μπορούσατε να κρατήσετε εκεί τα φάρμακα δροσερά και ασφαλή".
Τέλος ο Γουέλαντ επισημαίνει πως τα αποτελέσματα της μελέτης του δεν επιλύουν το ενεργειακό πρόβλημα, αλλά προσθέτουν μία εναλλακτική πρόταση για τη μείωση της έκτασής του. Η μελέτη των Γουέλαντ και Χο δημοσιεύτηκε στην επιστημονική επιθεώρηση Nano Letters.