science >> Wetenschap > >> Natuur

Kunnen nanokristallen de volgende grote brandstofbron zijn?

Hoewel mensen tot voor kort niet in staat waren om nanodeeltjes te beheersen, nanodeeltjes hebben altijd bestaan. Ze zijn aanwezig in vulkanische as, zoals de pluimen die in 1980 uit Mount St. Helens schoten. © Gary Braasch/CORBIS

De hele week, je hebt gedroomd van een dag op het strand. Terwijl je je in UV-beschermende zwemkleding wurmt, smeer op zonnebrandcrème, en pak je camera en je zonnebril, nanotechnologie is het laatste waar je aan denkt. Toch is het een deel van wat je draagt, vasthouden en, grotendeels, gebruiken in uw dagelijks leven.

Nanotechnologie , dat is de studie en manipulatie van materie die zo klein is dat ze niet eens kan worden gedetecteerd met een krachtige microscoop, geeft UV-bescherming aan uw badkleding en zonnebrandcrème, antireflectiecoating op uw cameralens en krasvastheid op uw zonnebril. Nanokristallen, een soort nanodeeltje, worden gebruikt in producten variërend van make-up en plastic opbergzakken tot geurbestendige sokken en zwangerschapstests voor thuis. En op een dag, nanokristallen kunnen je auto van stroom voorzien, voorwerpen rond uw huis of het kantoorgebouw verderop in de straat.

Nanotechnologie is een opkomend wetenschappelijk veld dat rijk is aan mogelijkheden, maar deze ultramicroscopische materie is niet gemaakt in de donkere krochten van het laboratorium van een gekke wetenschapper. Nanodeeltjes komen van nature voor. Ze worden gevonden in zeespray, vulkanische as en rook [bron:Science Daily]. Soms, nanokristallen maken deel uit van bijproducten zoals uitlaatgassen van voertuigen of de dampen die vrijkomen tijdens het lassen [bron:Nano].

Nanokristallen variëren van 1 tot 100 nanometer groot en worden gemeten op nanoschaal. Een nanometer is een miljardste van een meter, die 1 miljoen keer kleiner is dan een mier. Dus hoe kon een nanokristal een krachtige brandstofbron worden? Ten slotte, een gemiddeld vel papier meet 100, 000 nanometer dik, waardoor het enorm is in vergelijking [bron:Nano].

De sleutel ligt in de manier waarop nanokristallen zich gedragen. Deeltjes van de meeste maten, waar ze ook van gemaakt zijn, een gemeenschappelijke reeks wetenschappelijke regels volgen. Het is alsof ze collectief zijn getraind om met hun ellebogen van de spreekwoordelijke eettafel af te blijven; er zijn verwachtingen -- bevestigd door observatie -- over hoe deze deeltjes op elkaar inwerken. Maar geen nanokristallen.

Nanokristallen zijn eigenzinnig, opstandige kleine dingen. En dat is precies waarom ze de volgende grote brandstofbron zouden kunnen zijn [bron:Boysen].

Nanokristallen:een potentieel grote oplossing in een microscopisch pakket

Zoals met de meeste kleine dingen die zich niet gedragen zoals we verwachten, nanokristallen vormen unieke uitdagingen. Neem goud, bijvoorbeeld. We herkennen dit specifieke metaal vanwege zijn kenmerkende gouden kleur. Als je op zoek was naar goud, je zou zelfs een klein vlekje goud herkennen aan zijn kleur. Reduceer deze vlek tot een nanometer, Hoewel, en je zult het niet kunnen herkennen (zelfs als je een nanokristal zou kunnen zien). Het wordt blauwgroen of rood omdat de nanokristallen, omdat ze zo klein zijn, zijn bijna volledig oppervlakte. Door deze grotere oppervlakteverhouding kunnen de metalen nanokristallen kleuren absorberen in plaats van ze te reflecteren [bron:Boysen].

Hoewel dit kleine feit indruk kan maken op je vrienden op feestjes, deze kennis -- dat nanokristallen andere regels volgen dan andere materie -- kan ook van invloed zijn op de brandstofbronnen van de wereld. Niet alleen kunnen nanokristallen andere eigenschappen aannemen dan grotere deeltjes van hetzelfde materiaal, maar ze reageren anders met andere elementen. Hoe kleiner het deeltje, hoe meer atomen het aan de oppervlakte heeft; hoe meer atomen aan het oppervlak, hoe groter het oppervlak en hoe groter het vermogen om te interageren met andere elementen.

Denk er zo over na:je zwemt in een cilinder met water die diep maar niet breed is. Je kunt de randen van de cilinder aanraken door simpelweg je armen en benen te strekken als een zeester. Dan besluit je baantjes te trekken in een ondiep zwembad ter grootte van een basketbalveld. Alles gelijk, je komt in contact met meer van het wateroppervlak als je rond het ondiepe zwembad peddelt dan in het diepe cilindrische zwembad. Zo werken nanokristallen, te. Hun vele kleine deeltjes hebben meer oppervlakken die zijn blootgesteld aan andere chemicaliën of elementen, wat kan leiden tot een grotere snelheid van chemische reactie

Dit grotere oppervlak maakt nanokristallen tot goede katalysatoren, of stoffen die chemische reacties mogelijk maken. Bij gebruik als katalysator, nanokristallen kunnen de snelheid van een chemische reactie verhogen zonder zelf veranderingen te ondergaan. Dit betekent dat nanokristallen grondstoffen kunnen omzetten in brandstof bij lagere temperaturen dan andere katalysatoren. Omgekeerd, nanokristallen maken het mogelijk om meer brandstof te verbranden bij een lagere temperatuur.

Nanotechnologie kan bestaande alternatieve brandstoftechnologie levensvatbaarder maken. Bijvoorbeeld, maïs wordt omgezet in ethanol, een alternatieve niet-fossiele brandstof. Maar tegen de tijd dat de maïs ontkiemt en wordt geïrrigeerd, geoogst, vervoerd en vervolgens omgezet in ethanol, het proces is niet bijzonder kosten- of energie-efficiënt. Door nanokristallen als katalysator te gebruiken, een leger enzymen zou efficiënt en snel kunnen eten van afvalmaterialen zoals houtsnippers of gras en deze omzetten in ethanol [bron:Nano begrijpen].

Er is alleen een probleem, Hoewel. nanodeeltjes, terwijl het natuurlijk voorkomt, zijn moeilijker doelbewust te vervaardigen. Onderzoekers hebben nog niet helemaal een manier gevonden om nanodeeltjes te benutten, laat staan ze massaal produceren. Wanneer ze dat doen, we kunnen een hernieuwbare, efficiënte en goedkope krachtbron - een die mogelijk kan resulteren in lagere energierekeningen en voertuigen met meer motorkilometers.

Wie heeft de uitdrukking bedacht?

In 1986, een Amerikaanse ingenieur genaamd K. Eric Drexler schreef "Engines of Creation" en introduceerde de term nanotechnologie. Hij bevond zich in de voorhoede van een ontluikend gebied van wetenschappelijk onderzoek dat tot de verbeelding van uitvinders en industrieën bleef spreken. tegen 2013 het waren er meer dan 40, 000 patenten met het woord "nano" geregistreerd bij het U.S. Patent Office [bron:U.S. Patent and Trademark Office].

Nanokristallen en brandstofcellen

Doe een zaklamp aan en je bent getuige van een brandstofcel aan het werk. Op zijn meest elementaire, een brandstofcel is een krachtbron die een chemische reactie gebruikt om een elektrische stroom te produceren. De batterij in de zaklamp is een brandstofcel die zijn chemicaliën opsluit in een netjes klein pakketje. Zodra de chemicaliën verslijten en niet meer met elkaar kunnen reageren, de batterij kan worden opgeladen of weggegooid.

Er is een ander type brandstofcel dat afhankelijk is van de inname van externe elementen. In plaats van al zijn elementen ingesloten te hebben, een waterstofbrandstofcel, bijvoorbeeld, heeft toegang nodig tot perifere elementen zoals waterstof en zuurstof om elektriciteit te produceren [bron:CAFCP]. En hier komt nanotechnologie om de hoek kijken. De toepassing van nanotechnologie kan waterstofbrandstofcellen efficiënter laten werken en goedkoper maken om te produceren; dit zou kunnen leiden tot lagere prijzen voor voertuigen die op dit soort alternatieve energie rijden, evenals de productie van brandstofcellen die minder energie nodig hebben om te werken.

Met nanokristallen in het spel, De productiekosten voor brandstofcellen kunnen ook dalen. traditioneel, waterstofbrandstofcellen gebruiken platina als katalysator om externe elementen om te zetten in energie. Platina is relatief zeldzaam en wordt gewonnen door middel van energie-intensieve mijnbouw. Door platina nanokristallen te gebruiken, het vermindert aanzienlijk de hoeveelheid prijzig platina die nodig is om een brandstofcel te laten werken. In sommige gevallen, nanokristallen van goedkopere materialen zoals kobalt kunnen worden gebruikt om de behoefte aan platina helemaal te omzeilen [bron:Nano begrijpen].

Nanokristallen kunnen het materiaal veranderen dat wordt gebruikt om brandstofcellen te construeren, te. De meeste brandstofcellen gebruiken vloeistof om elektroden aan te sluiten, omdat vloeistof een betere geleider is dan een vast materiaal. Maar door vaste materialen te infuseren met nanokristallen, de materialen zelf worden meer bevorderlijk, het elimineren van de noodzaak van een vloeibare geleider, wat leidt tot ruimtebesparing, verhoogde geleidbaarheid en kleinere brandstofcellen [bron:Science Daily]. Uiteindelijk, technologie die enkele van 's werelds kleinste deeltjes gebruikt, zou kunnen leiden tot de volgende grote brandstofbron - of op zijn minst een efficiëntere manier om de brandstofbronnen die we al hebben te gebruiken.

Waterstof oogsten

Waterstof is een van de meest voorkomende elementen op aarde. Het kan uit water worden gewonnen en hoeft niet te worden vervaardigd zoals andere brandstoffen. Wanneer het als brandstof wordt gebruikt, waterdamp is het enige bijproduct. Vandaag, onderzoekers zijn op zoek naar een nieuwe manier om waterstof uit water te halen. Met alleen zonlicht en een goedkope nikkel-nanokristalkatalysator, ze kunnen enkele weken waterstofbrandstof produceren voordat het proces begint te vertragen [bron:Dume].

Veel meer informatie

Notitie van de Auteur:Kunnen nanokristallen de volgende grote brandstofbron zijn?

Het voorstellen van twee zwembaden is een geweldige manier om de structurele verschillen van nanodeeltjes te visualiseren. Uw smalle duikbad kan diep zijn, of zelfs een grotere hoeveelheid water bevatten, maar het oppervlak is veel kleiner dan de brede, ondiep baanzwembad. nanodeeltjes, te, blijven met een groot oppervlak blootgesteld, wat kan leiden tot een grotere chemische reactiesnelheid. Minstens, daar zal ik aan denken de volgende keer dat ik een luie middag aan het zwembad doorbreng.

bronnen

jongens, Graaf. "Hoe materialen veranderen op nanoschaal." Voor dummies. (27 feb. 2013) http://www.dummies.com/how-to/content/how-materials-change-in-nanoscale.html
CAFCP. "Wat is het verschil tussen een brandstofcel en een batterij?" (27 feb. 2013) http://cafcp.org/faq/what-difference-between-fuel-cell-and-battery
dom, Belle. "Nanokristallen produceren waterstof met behulp van zonlicht." Natuurkunde wereld. 9 november 2012. (27 februari, 2013) http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/nov/09/nanocrystals-produce-hydrogen-using-sunlight
Nationaal Nanotechnologie-initiatief. "Grootte van de nanoschaal." (27 feb. 2013) http://www.nano.gov/nanotech-101/what/nano-size
Nationaal Nanotechnologie-initiatief. "Werken op nanoschaal." (27 feb. 2013) http://www.nano.gov/nanotech-101/what/working-nanoscale
Wetenschap Dagelijks. "Enorm potentieel van nanokristallen om de efficiëntie in brandstofcellen te verhogen." 28 maart 2011. (27 februari 2013) http://www.sciencedaily.com/releases/2011/03/110328093059.htm
Wetenschap Dagelijks. "Sensor kan afzonderlijke nanodeeltjes detecteren en meten." 22 december 2009. (27 februari, 2013) http://www.sciencedaily.com/releases/2009/12/091218133309.htm
U.S. Patent and Trademark Office. "Patentdatabase." (27 feb. 2013) http://patft.uspto.gov
Nano begrijpen. "Brandstof en nanotechnologie." Hawk's Perch technisch schrijven. (27 feb. 2013) http://www.understandingnano.com/fuel.html