Kunne nanokrystaller være den næste store brændstofkilde?

Hele ugen, du har drømt om en dag på stranden. Når du vrikker ind i UV-beskyttende badetøj, slather på solcreme, og tag fat i dit kamera og dine solbriller, nanoteknologi er det sidste, du tænker på. Alligevel er det en del af det, du har på, holder og, i høj grad, bruger i dit daglige liv.

Nanoteknologi , som er undersøgelse og manipulation af stof så lille, at det ikke engang kan opdages med et mikroskop med høj effekt, giver UV-beskyttelse til dit badetøj og solcreme, antirefleksbelægning på dit kameralinse og ridsefasthed på dine solbriller. Nanokrystaller, en type nanopartikel, bruges i produkter lige fra makeup- og plastposer til lugtbestandige strømper og graviditetstest i hjemmet. Og en dag, nanokrystaller kunne drive din bil, ting omkring dit hjem eller kontorbygningen nede på gaden.

Nanoteknologi er et voksende videnskabeligt felt, der er rig på muligheder, men dette ultramikroskopiske stof blev ikke skabt i de mørke fordybninger i en gal forskers laboratorium. Nanopartikler forekommer naturligt. De findes i havsprøjt, vulkansk aske og røg [kilde:Science Daily]. Sommetider, nanokrystaller er en del af biprodukter som bilens udstødning eller de dampe, der udsendes under svejsning [kilde:Nano].

Nanokrystaller varierer fra 1 til 100 nanometer i størrelse og måles på en nanoskala. Et nanometer er en milliarddel af en meter, som er 1 million gange mindre end en myre. Så hvordan kunne en nanokrystal klare at blive en kraftfuld brændstofkilde? Trods alt, et gennemsnitligt ark papir måler 100, 000 nanometer tyk, gør den enorm til sammenligning [kilde:Nano].

Nøglen ligger i måden, nanokrystaller opfører sig på. Partikler i de fleste størrelser, uanset hvad de er lavet af, følge et fælles sæt videnskabelige regler. Det er, som om de i fællesskab er blevet trænet til at holde albuerne væk fra det ordsprogede middagsbord; der er forventninger - bekræftet ved observation - om hvordan disse partikler interagerer. Men ikke nanokrystaller.

Nanokrystaller er forsætlige, oprørske små ting. Og det er netop derfor, de kunne være den næste store brændstofkilde [kilde:Boysen].

Nanokrystaller:En potentielt stor løsning i en mikroskopisk pakke

Som med de fleste små ting, der ikke opfører sig, som vi forventer dem, nanokrystaller udgør unikke udfordringer. Tag guld, for eksempel. Vi genkender netop dette metal for sin signatur gyldne farve. Hvis du panorerer efter guld, du ville genkende selv en lille guldklump ved sin farve. Reducer denne flæk til et nanometer, selvom, og du vil ikke være i stand til at genkende det (selvom du kunne se en nanokrystal). Det bliver blågrønt eller rødt, fordi nanokrystaller, da de er så små, er næsten udelukkende overfladeareal. Dette større forhold mellem overfladearealet gør det muligt for metal -nanokrystaller at absorbere farver i stedet for at afspejle dem [kilde:Boysen].

Selvom denne lille kendsgerning kan imponere dine venner til fester, denne viden - at nanokrystaller følger andre regler end andre ting - kan også påvirke verdens brændstofkilder. Ikke alene kan nanokrystaller antage andre kvaliteter end større partikler af det samme materiale, men de reagerer forskelligt med andre elementer. Jo mindre partikel, jo flere atomer har den på overfladen; jo flere atomer på overfladen, jo større overfladeareal og større evne til at interagere med andre elementer.

Tænk på det sådan:Du svømmer i en vandcylinder, der er dyb, men ikke bred. Du kan røre cylinderens kanter ved blot at strække dine arme og ben ud som en søstjerne. Derefter beslutter du at svømme omgange i en lav pool på størrelse med en basketballbane. Alt andet lige, du kommer i kontakt med mere af vandets overfladeareal, hvis du padler rundt i den lavvandede pool end flyder i den dybe cylindriske. Sådan fungerer nanokrystaller, også. Deres mange små partikler har flere overflader udsat for andre kemikalier eller elementer, hvilket kan føre til en større hastighed af kemisk reaktion

Dette større overfladeareal gør nanokrystaller til gode katalysatorer, eller stoffer, der muliggør kemiske reaktioner. Når de bruges som katalysatorer, nanokrystaller kan øge hastigheden af ​​en kemisk reaktion uden selv at gennemgå ændringer. Det betyder, at nanokrystaller kan omdanne råvarer til brændstof ved lavere temperaturer end andre katalysatorer kan. Omvendt nanokrystaller gør det muligt at forbrænde mere brændstof ved en lavere temperatur.

Nanoteknologi kunne gøre eksisterende alternativ brændstofteknologi mere levedygtig. For eksempel, majs omdannes til ethanol, et alternativt ikke-fossilt brændstof. Men når majsen spirer og vandes, høstet, transporteres og derefter omdannes til ethanol, processen er ikke særlig omkostnings- eller energieffektiv. Ved at bruge nanokrystaller som en katalysator, en hær af enzymer kunne effektivt og hurtigt spise på affaldsmaterialer som flis eller græs og konvertere dem til ethanol [kilde:Understanding Nano].

Der er kun et problem, selvom. Nanopartikler, mens det forekommer naturligt, er vanskeligere at fremstille målrettet. Forskere har ikke helt fundet ud af en måde at udnytte nanopartikler på, endsige masseproducere dem. Når de gør, vi kunne have en fornybar, effektiv og billig strømkilde - en der potentielt kan resultere i lavere energiregninger og køretøjer med større kilometertal.

I 1986, en amerikansk ingeniør ved navn K. Eric Drexler skrev "Engines of Creation" og introducerede udtrykket nanoteknologi. Han var i spidsen for et spirende videnskabeligt studieområde, der fortsatte med at fange opfindernes og industriernes fantasi. I 2013, der var mere end 40, 000 patenter med ordet "nano" registreret hos U.S. Patent Office [kilde:U.S. Patent and Trademark Office].

Nanokrystaller og brændstofceller

Tænd en lommelygte, og du er vidne til en brændselscelle på arbejde. På sit mest grundlæggende, en brændselscelle er en strømkilde, der bruger en kemisk reaktion til at producere en elektrisk strøm. Batteriet inde i lommelygten er en brændselscelle, der begrænser dets kemikalier til en ryddig lille pakke. Når kemikalierne er slidt op og ikke længere kan reagere med hinanden, batteriet kan oplades eller smides væk.

Der er en anden type brændselscelle, der er afhængig af indtag af eksterne elementer. I stedet for at have alle dets elementer lukket, en brintbrændselscelle, for eksempel, har brug for adgang til perifere elementer som brint og ilt for at producere elektricitet [kilde:CAFCP]. Og det er her nanoteknologi spiller ind. Anvendelsen af ​​nanoteknologi kunne få brintbrændstofceller til at fungere mere effektivt og gøre dem billigere at producere; dette kan resultere i lavere priser på køretøjer, der er drevet af denne type alternativ energi, samt produktion af brændselsceller, der kræver mindre energi for at fungere.

Med nanokrystaller i spil, omkostninger til fremstilling af brændselsceller kan også falde. Traditionelt set brintbrændstofceller bruger platin som katalysator til at omdanne eksterne elementer til energi. Platin er relativt sjældent og udvindes gennem energikrævende minedrift. Ved at bruge platin nanokrystaller, det reducerer i høj grad mængden af ​​dyr platin, der er nødvendig for at få en brændselscelle til at fungere. I nogle tilfælde, nanokrystaller af billigere materialer som kobolt kan bruges til helt at omgå behovet for platin [kilde:Understanding Nano].

Nanokrystaller kan ændre det materiale, der bruges til at konstruere brændselsceller, også. De fleste brændselsceller bruger væske til at forbinde elektroder, fordi væske er en bedre leder end et fast materiale. Men ved at infundere faste materialer med nanokrystaller, selve materialerne bliver mere befordrende, eliminerer behovet for en væskeleder, hvilket fører til sparet plads, øget ledningsevne og mindre brændselsceller [kilde:Science Daily]. Til sidst, teknologi, der bruger nogle af verdens mindste partikler, kan føre til den næste store brændstofkilde - eller i det mindste en mere effektiv måde at bruge de brændstofkilder, vi allerede har.

Brint er et af de mest udbredte grundstoffer på Jorden. Det kan udvindes fra vand og behøver ikke at blive fremstillet som andre brændstoffer. Når det bruges som brændstof, vanddamp er det eneste biprodukt. I dag, forskere er varme på sporet af en ny måde at udvinde brint fra vand. Kun ved brug af sollys og en billig nikkel -nanokrystalkatalysator, de kan producere brintbrændstof i flere uger, før processen begynder at bremse [kilde:Dume].

Masser mere information

Forfatterens note:Kan nanokrystaller være den næste store brændstofkilde?

At forestille sig to svømmebassiner er en fantastisk måde at visualisere de strukturelle forskelle i nanopartikler. Din smalle dykkerpool kan være dyb, eller endda indeholde en større mængde vand, men dens overfladeareal er meget mindre end det brede, lavvandet omgangspulje. Nanopartikler, også, efterlades med meget overfladeareal, hvilket kan føre til en større hastighed af kemisk reaktion. I det mindste, det er, hvad jeg vil tænke på, næste gang jeg tilbringer en doven eftermiddag ved poolen.

relaterede artikler

• Sådan fungerer en Supernova
• Sådan fungerer afsaltning
• De 10 tungeste bygninger, der nogensinde er flyttet
• Sådan fungerer drager
• Sådan fungerer Relief Wells

Kilder

• Boysen, Earl. "Hvordan materialer ændrer sig i nanoskala." Til dummies. (27. februar, 2013) http://www.dummies.com/how-to/content/how-materials-change-in-nanoscale.html
• CAFCP. "Hvad er forskellen mellem en brændselscelle og et batteri?" (27. februar, 2013) http://cafcp.org/faq/what-difference-between-fuel-cell-and-battery
• Dume, Belle. "Nanokrystaller producerer brint ved hjælp af sollys." Fysik Verden. 9. november kl. 2012. (27. februar, 2013) http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/nov/09/nanocrystals-produce-hydrogen-using-sunlight
• National Nanotechnology Initiative. "Nanoskalaens størrelse." (27. februar, 2013) http://www.nano.gov/nanotech-101/what/nano-size
• National Nanotechnology Initiative. "Arbejder på nanoskalaen." (27. februar, 2013) http://www.nano.gov/nanotech-101/what/working-nanoscale
• Science Daily. "Stort potentiale for nanokrystaller til at øge effektiviteten i brændstofceller." 28. marts 2011. (27. februar, 2013) http://www.sciencedaily.com/releases/2011/03/110328093059.htm
• Science Daily. "Sensor kan registrere en enkelt nanopartikel og måle den." 22. december kl. 2009. (27. februar, 2013) http://www.sciencedaily.com/releases/2009/12/091218133309.htm
• U.S. Patent and Trademark Office. "Patentdatabase." (27. februar, 2013) http://patft.uspto.gov
• Forståelse for Nano. "Brændstof og nanoteknologi." Hawks aborre teknisk skrivning. (27. februar, 2013) http://www.understandingnano.com/fuel.html