Medan människor inte har kunnat kontrollera partiklar i nano-storlek förrän ganska nyligen, nanopartiklar har alltid funnits. De finns i vulkanisk aska, som plymerna som sprängdes från Mount St. Helens 1980. © Gary Braasch/CORBIS Hela veckan, du har drömt om en dag på stranden. När du vrider dig in i UV-skyddande badkläder, slather på solskyddsmedel, och ta tag i din kamera och dina solglasögon, nanoteknik är det sista du tänker på. Men det är en del av vad du har på dig, håller och, i stor utsträckning, använder i ditt dagliga liv.
Nanoteknik , vilket är studien och manipulationen av materia så liten att den inte ens kan upptäckas med ett högeffektsmikroskop, ger UV-skydd till dina badkläder och solskyddsmedel, antireflexbeläggning på ditt kameralins och reptålighet mot dina solglasögon. Nanokristaller, en typ av nanopartikel, används i produkter som sträcker sig från smink och förvaringspåsar i plast till luktresistenta strumpor och graviditetstester hemma. Och en dag, nanokristaller kan driva din bil, saker runt ditt hem eller kontorsbyggnaden på gatan.
Nanoteknik är ett framväxande vetenskapligt område som är rikt på möjligheter, men denna ultramikroskopiska materia skapades inte i de mörka urtagen i ett galet vetenskapslaboratorium. Nanopartiklar förekommer naturligt. De finns i sjöspray, vulkanisk aska och rök [källa:Science Daily]. Ibland, nanokristaller är en del av biprodukter som fordonsavgaser eller ångor som avges under svetsning [källa:Nano].
Nanokristaller varierar från 1 till 100 nanometer i storlek och mäts på nanoskala. En nanometer är en miljarddels meter, som är 1 miljon gånger mindre än en myra. Så hur skulle en nanokristall lyckas bli en kraftfull bränslekälla? Trots allt, ett genomsnittligt pappersark mäter 100, 000 nanometer tjock, vilket gör det enormt i jämförelse [källa:Nano].
Nyckeln ligger i hur nanokristaller beter sig. Partiklar i de flesta storlekar, oavsett vad de är gjorda av, följa en gemensam uppsättning vetenskapliga regler. Det är som om de kollektivt har tränats för att hålla armbågarna utanför det ordspråkliga middagsbordet; det finns förväntningar - framgår av observation - om hur dessa partiklar interagerar. Men inte nanokristaller.
Nanokristaller är uppsåtliga, upproriska små saker. Och det är just därför de kan vara nästa stora bränslekälla [källa:Boysen].
Som med de flesta små saker som inte beter sig som vi förväntar oss, nanokristaller utgör unika utmaningar. Ta guld, till exempel. Vi känner igen just den här metallen för sin gyllene signatur. Om du spanade efter guld, du skulle känna igen även en liten fläck guld av dess färg. Minska denna fläck till en nanometer, fastän, och du kommer inte att kunna känna igen det (även om du kunde se en nanokristall). Det blir blågrönt eller rött eftersom nanokristaller, eftersom de är så små, är nästan helt yta. Detta större förhållande av ytarea gör att metallnanokristaller kan absorbera färger istället för att reflektera dem [källa:Boysen].
Även om detta lilla faktum kan imponera på dina vänner på fester, denna kunskap - att nanokristaller följer andra regler än andra frågor - kan också påverka världens bränslekällor. Nanokristaller kan inte bara anta andra egenskaper än större partiklar av samma material, men de reagerar olika med andra element. Ju mindre partikeln, desto fler atomer har den vid ytan; desto fler atomer vid ytan, ju större yta och desto större förmåga att interagera med andra element.
Tänk så här:Du simmar i en vattencylinder som är djup men inte bred. Du kan röra cylinderns kanter genom att helt enkelt sträcka ut dina armar och ben som en sjöstjärna. Sedan bestämmer du dig för att simma varv i en grund pool som är stor som en basketplan. Allt annat lika, du kommer i kontakt med mer av vattenytan om du paddlar runt den grunda poolen än flyter i den djupa cylindriska. Det är så nanokristaller fungerar, för. Deras många små partiklar har fler ytor utsatta för andra kemikalier eller element, vilket kan leda till en högre hastighet av kemisk reaktion
Denna större yta gör nanokristaller till bra katalysatorer, eller ämnen som möjliggör kemiska reaktioner. När den används som katalysatorer, nanokristaller kan öka hastigheten för en kemisk reaktion utan att själva genomgå förändringar. Detta innebär att nanokristaller kan omvandla råvaror till bränsle vid lägre temperaturer än andra katalysatorer kan göra. Omvänt, nanokristaller gör det möjligt att bränna mer bränsle vid en lägre temperatur.
Nanoteknik kan göra befintlig alternativ bränsleteknik mer livskraftig. Till exempel, majs omvandlas till etanol, ett alternativt icke-fossilt bränsle. Men när majsen gror och vattnas, skördad, transporteras och sedan omvandlas till etanol, processen är inte särskilt kostnadseffektiv eller energieffektiv. Genom att använda nanokristaller som katalysator, En armé av enzymer kunde effektivt och snabbt äta avfallsmaterial som flis eller gräs och omvandla dem till etanol [källa:Understanding Nano].
Det finns bara ett problem, fastän. Nanopartiklar, medan det förekommer naturligt, är svårare att avsiktligt tillverka. Forskare har inte riktigt kommit fram till ett sätt att utnyttja nanopartiklar, än mindre massproducera dem. När de gör det, vi kan ha en förnybar, effektiv och billig kraftkälla - en som potentiellt kan resultera i lägre energiräkningar och fordon med större körsträcka.
Vem skapade frasen?1986, en amerikansk ingenjör vid namn K. Eric Drexler skrev "Engines of Creation" och introducerade termen nanoteknik. Han var i framkant i ett växande vetenskapsområde som fortsatte att fånga uppfinnarnas och industriernas fantasi. År 2013, det var mer än 40, 000 patent med ordet "nano" registrerat hos U.S. Patent Office [källa:U.S. Patent and Trademark Office].
Slå på en ficklampa och du bevittnar en bränslecell på jobbet. På sitt mest grundläggande, en bränslecell är en kraftkälla som använder en kemisk reaktion för att producera en elektrisk ström. Batteriet inuti ficklampan är en bränslecell som begränsar dess kemikalier till ett snyggt litet paket. När kemikalierna slits ut och inte längre kan reagera med varandra, batteriet kan laddas eller slängas.
Det finns en annan typ av bränslecell som är beroende av intaget av yttre element. Istället för att ha alla dess element inneslutna, en vätgasbränslecell, till exempel, behöver tillgång till perifera element som väte och syre för att producera elektricitet [källa:CAFCP]. Och det är här nanoteknik spelar in. Tillämpningen av nanoteknik kan få vätebränsleceller att fungera mer effektivt och göra dem billigare att producera; detta kan leda till lägre priser för fordon som drivs av denna typ av alternativ energi, samt produktion av bränsleceller som kräver mindre energi för att driva.
Med nanokristaller i spel, bränslecellstillverkningskostnaderna kan också sjunka. Traditionellt, vätebränsleceller använder platina som katalysator för att omvandla yttre element till energi. Platina är relativt sällsynt och utvinns genom energikrävande gruvdrift. Genom att använda platina nanokristaller, det minskar kraftigt mängden dyr platina som behövs för att få en bränslecell att fungera. I vissa fall, nanokristaller av billigare material som kobolt kan användas för att helt kringgå behovet av platina [källa:Understanding Nano].
Nanokristaller kan ändra materialet som används för att konstruera bränsleceller, för. De flesta bränsleceller använder vätska för att ansluta elektroder eftersom vätska är en bättre ledare än ett fast material. Men genom att införa fasta material med nanokristaller, själva materialen blir mer gynnsamma, eliminera behovet av en vätskeledare, vilket leder till sparat utrymme, ökad konduktivitet och mindre bränsleceller [källa:Science Daily]. I slutet, teknik som använder några av världens minsta partiklar kan leda till nästa stora bränslekälla - eller åtminstone ett mer effektivt sätt att använda de bränslekällor vi redan har.
Skörd av väteVäte är ett av de mest förekommande elementen på jorden. Det kan extraheras från vatten och behöver inte tillverkas som andra bränslen. När det används som bränsle, vattenånga är den enda biprodukten. I dag, forskare är heta på spåret efter ett nytt sätt att utvinna väte från vatten. Använd endast solljus och en billig nickel -nanokristallkatalysator, de kan producera vätebränsle i flera veckor innan processen börjar bromsa [källa:Dume].
Att föreställa sig två pooler är ett bra sätt att visualisera strukturella skillnader i nanopartiklar. Din smala dykbassäng kan vara djup, eller till och med innehålla en större volym vatten, men dess yta är mycket mindre än den breda, ytlig pool. Nanopartiklar, för, lämnas kvar med mycket yta utsatt, vilket kan leda till en högre hastighet av kemisk reaktion. Åtminstone, det är vad jag kommer att tänka på nästa gång jag tillbringar en lat eftermiddag vid poolen.
