Sebbene gli umani non siano stati in grado di controllare le particelle di dimensioni nanometriche fino a poco tempo fa, le nanoparticelle sono sempre esistite. Sono presenti nella cenere vulcanica, come i pennacchi esplosi dal Monte Sant'Elena nel 1980. © Gary Braasch/CORBIS Tutta la settimana, hai sognato una giornata in spiaggia. Mentre indossi un costume da bagno con protezione dai raggi UV, spalmarsi di crema solare, e prendi la tua macchina fotografica e i tuoi occhiali da sole, la nanotecnologia è l'ultima cosa che hai in mente. Eppure è una parte di ciò che indossi, tenendo e, in larga misura, utilizzando nella tua vita quotidiana.
Nanotecnologia , che è lo studio e la manipolazione della materia così piccola che non può essere rilevata nemmeno con un microscopio ad alta potenza, dona protezione dai raggi UV al tuo costume da bagno e alla crema solare, rivestimento antiriflesso per l'obiettivo della fotocamera e resistenza ai graffi per gli occhiali da sole. nanocristalli, un tipo di nanoparticella, sono utilizzati in prodotti che vanno dal trucco e sacchetti di plastica ai calzini resistenti agli odori e ai test di gravidanza a casa. E un giorno, i nanocristalli potrebbero alimentare la tua auto, oggetti in casa o nell'edificio dell'ufficio in fondo alla strada.
La nanotecnologia è un campo scientifico emergente ricco di possibilità, ma questa materia ultramicroscopica non è stata creata negli oscuri recessi del laboratorio di uno scienziato pazzo. Le nanoparticelle si trovano naturalmente. Si trovano negli spruzzi del mare, cenere vulcanica e fumo [fonte:Science Daily]. Qualche volta, i nanocristalli fanno parte di sottoprodotti come lo scarico dei veicoli o i fumi emessi durante la saldatura [fonte:Nano].
I nanocristalli variano da 1 a 100 nanometri di dimensione e sono misurati su scala nanometrica. Un nanometro è un miliardesimo di metro, che è 1 milione di volte più piccola di una formica. Quindi, come potrebbe un nanocristallo riuscire a diventare una potente fonte di carburante? Dopotutto, un foglio di carta medio misura 100, 000 nanometri di spessore, rendendolo enorme in confronto [fonte:Nano].
La chiave sta nel modo in cui si comportano i nanocristalli. Particelle della maggior parte delle dimensioni, non importa di cosa siano fatti, seguire un insieme comune di regole scientifiche. È come se fossero stati addestrati collettivamente a tenere i gomiti lontani dalla proverbiale tavola da pranzo; ci sono aspettative, confermate dall'osservazione, su come interagiscono queste particelle. Ma non i nanocristalli.
I nanocristalli sono intenzionali, piccole cose ribelli. Ed è proprio per questo che potrebbero essere la prossima grande fonte di carburante [fonte:Boysen].
Come per la maggior parte delle piccole cose che non si comportano come ci aspettiamo che facciano, i nanocristalli pongono sfide uniche. prendi l'oro, Per esempio. Riconosciamo questo particolare metallo per il suo caratteristico colore dorato. Se stavi cercando l'oro, riconosceresti anche una piccola macchia d'oro dal suo colore. Riduci questa macchia a un nanometro, anche se, e non sarai in grado di riconoscerlo (anche se potresti vedere un nanocristallo). Diventerà blu-verde o rosso perché i nanocristalli, visto che sono così piccoli, sono quasi interamente di superficie. Questo maggiore rapporto di superficie consente ai nanocristalli metallici di assorbire i colori invece di rifletterli [fonte:Boysen].
Anche se questo piccolo fatto può impressionare i tuoi amici alle feste, questa conoscenza - che i nanocristalli seguono regole diverse rispetto ad altra materia - potrebbe anche avere un impatto sulle fonti di carburante del mondo. Non solo i nanocristalli possono assumere qualità diverse rispetto a particelle più grandi dello stesso materiale, ma reagiscono diversamente con altri elementi. Più piccola è la particella, più atomi ha in superficie; più atomi in superficie, maggiore è la superficie e maggiore è la capacità di interagire con altri elementi.
Pensaci in questo modo:stai nuotando in un cilindro d'acqua profondo ma non largo. Puoi toccare i bordi del cilindro semplicemente allungando le braccia e le gambe come una stella marina. Quindi decidi di nuotare in una piscina poco profonda delle dimensioni di un campo da basket. A parità di condizioni, entrerai in contatto con una superficie maggiore dell'acqua se remi intorno alla piscina poco profonda piuttosto che galleggi in quella cilindrica profonda. È così che funzionano i nanocristalli, pure. Le loro numerose piccole particelle hanno più superfici esposte ad altri prodotti chimici o elementi, che può portare a una maggiore velocità di reazione chimica
Questa maggiore superficie rende i nanocristalli buoni catalizzatori, o sostanze che consentono reazioni chimiche. Se usati come catalizzatori, i nanocristalli possono aumentare la velocità di una reazione chimica senza subire modifiche. Ciò significa che i nanocristalli possono convertire le materie prime in carburante a temperature inferiori rispetto a quelle di altri catalizzatori. Al contrario, i nanocristalli consentono di bruciare più carburante a una temperatura più bassa.
La nanotecnologia potrebbe rendere più praticabile la tecnologia esistente dei combustibili alternativi. Per esempio, il mais viene convertito in etanolo, un combustibile alternativo non fossile. Ma quando il grano germoglia e viene irrigato, raccolto, trasportato e poi convertito in etanolo, il processo non è particolarmente efficiente in termini di costi o energia. Utilizzando nanocristalli come catalizzatore, un esercito di enzimi potrebbe consumare in modo efficiente e rapido materiali di scarto come trucioli di legno o erba e convertirli in etanolo [fonte:Understanding Nano].
C'è solo un problema, anche se. Nanoparticelle, mentre è naturale, sono più difficili da fabbricare intenzionalmente. I ricercatori non hanno ancora trovato un modo per sfruttare le nanoparticelle, figuriamoci produrli in serie. Quando lo fanno, potremmo avere un rinnovabile, fonte di energia efficiente ed economica, che potrebbe potenzialmente comportare bollette energetiche inferiori e veicoli con un maggiore chilometraggio del motore.
Chi ha coniato la frase?Nel 1986, un ingegnere americano di nome K. Eric Drexler scrisse "Engines of Creation" e introdusse il termine nanotecnologia. Era in prima linea in un fiorente campo di studi scientifici che ha continuato a catturare l'immaginazione di inventori e industrie. Entro il 2013, erano più di 40, 000 brevetti con la parola "nano" registrati presso l'U.S. Patent Office [fonte:U.S. Patent and Trademark Office].
Accendi una torcia e vedrai una cella a combustibile al lavoro. Nella sua forma più elementare, una cella a combustibile è una fonte di energia che utilizza una reazione chimica per produrre una corrente elettrica. La batteria all'interno della torcia è una cella a combustibile che confina i suoi prodotti chimici in un piccolo pacchetto ordinato. Una volta che le sostanze chimiche si esauriscono e non possono più reagire tra loro, la batteria può essere ricaricata o gettata via.
Esiste un altro tipo di cella a combustibile che si basa sull'assunzione di elementi esterni. Invece di racchiudere tutti i suoi elementi, una cella a combustibile a idrogeno, Per esempio, ha bisogno di accedere a elementi periferici come l'idrogeno e l'ossigeno per produrre elettricità [fonte:CAFCP]. Ed è qui che entra in gioco la nanotecnologia. L'applicazione della nanotecnologia potrebbe far funzionare le celle a combustibile a idrogeno in modo più efficiente e renderle meno costose da produrre; ciò potrebbe comportare prezzi più bassi per i veicoli alimentati da questo tipo di energia alternativa, così come la produzione di celle a combustibile che richiedono meno energia per funzionare.
Con i nanocristalli in gioco, Anche i costi di produzione delle celle a combustibile potrebbero diminuire. Tradizionalmente, Le celle a combustibile a idrogeno utilizzano il platino come catalizzatore per convertire gli elementi esterni in energia. Il platino è relativamente raro ed è estratto attraverso l'estrazione ad alta intensità energetica. Utilizzando nanocristalli di platino, riduce notevolmente la quantità di platino costoso necessaria per far funzionare una cella a combustibile. In alcuni casi, i nanocristalli di materiali meno costosi come il cobalto possono essere utilizzati per bypassare del tutto la necessità di platino [fonte:Understanding Nano].
I nanocristalli potrebbero cambiare il materiale utilizzato per costruire le celle a combustibile, pure. La maggior parte delle celle a combustibile utilizza il liquido per collegare gli elettrodi perché il liquido è un conduttore migliore di un materiale solido. Ma infondendo materiali solidi con nanocristalli, i materiali stessi diventano più favorevoli, eliminando la necessità di un conduttore liquido, che porta a spazio risparmiato, maggiore conduttività e celle a combustibile più piccole [fonte:Science Daily]. Alla fine, la tecnologia che utilizza alcune delle particelle più piccole del mondo potrebbe portare alla prossima grande fonte di carburante, o almeno a un modo più efficiente di utilizzare le fonti di carburante che già abbiamo.
Raccolta dell'idrogenoL'idrogeno è uno degli elementi più abbondanti sulla Terra. Può essere estratto dall'acqua e non ha bisogno di essere prodotto come altri combustibili. Quando viene utilizzato come combustibile, il vapore acqueo è l'unico sottoprodotto. Oggi, i ricercatori sono alla ricerca di un nuovo modo per estrarre l'idrogeno dall'acqua. Usando solo la luce solare e un catalizzatore di nanocristalli di nichel economico, possono produrre combustibile a idrogeno per diverse settimane prima che il processo inizi a rallentare [fonte:Dume].
Immaginare due piscine è un ottimo modo per visualizzare le differenze strutturali delle nanoparticelle. La tua piscina stretta può essere profonda, o addirittura contenere un volume d'acqua maggiore, ma la sua superficie è molto più piccola dell'ampia, piscina olimpionica poco profonda. Nanoparticelle, pure, rimangono con molta superficie esposta, che può portare ad una maggiore velocità di reazione chimica. Almeno, è quello a cui penserò la prossima volta che trascorrerò un pigro pomeriggio in piscina.
