Könnten Nanokristalle die nächste große Brennstoffquelle sein?

Die ganze Woche haben Sie von einem Tag am Strand geträumt. Während Sie sich in UV-schützende Badebekleidung winden, Sonnencreme auftragen und Ihre Kamera und Ihre Sonnenbrille greifen, ist Nanotechnologie das Letzte, woran Sie denken. Dennoch ist es ein Teil dessen, was Sie tragen, halten und zu einem großen Teil in Ihrem täglichen Leben verwenden.

Nanotechnologie , also die Erforschung und Manipulation von Materie, die so klein ist, dass sie nicht einmal mit einem Hochleistungsmikroskop erkannt werden kann, verleiht Ihrer Badebekleidung und Sonnencreme UV-Schutz, Ihrer Kameralinse eine Blendschutzbeschichtung und Ihrer Kamera eine Kratzfestigkeit Sonnenbrille. Nanokristalle, eine Art Nanopartikel, werden in Produkten verwendet, die von Make-up- und Plastikbeuteln bis hin zu geruchshemmenden Socken und Schwangerschaftstests für zu Hause reichen. Und eines Tages könnten Nanokristalle Ihr Auto, Gegenstände in Ihrem Haus oder das Bürogebäude auf der anderen Straßenseite mit Strom versorgen.

Die Nanotechnologie ist ein aufstrebendes Wissenschaftsgebiet voller Möglichkeiten, aber diese ultramikroskopische Materie wurde nicht in den dunklen Winkeln des Labors eines verrückten Wissenschaftlers geschaffen. Nanopartikel kommen natürlich vor. Sie kommen in Gischt, Vulkanasche und Rauch vor [Quelle: Science Daily ]. Manchmal sind Nanokristalle Teil von Nebenprodukten wie Fahrzeugabgasen oder den beim Schweißen freigesetzten Dämpfen [Quelle: Nano ].

Nanokristalle sind zwischen 1 und 100 Nanometer groß und werden im Nanomaßstab gemessen. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, also 1 Million mal kleiner als eine Ameise. Wie also konnte es ein Nanokristall schaffen, eine starke Brennstoffquelle zu werden? Immerhin ist ein durchschnittliches Blatt Papier 100.000 Nanometer dick und damit im Vergleich riesig [Quelle: Nano ].

Der Schlüssel liegt im Verhalten von Nanokristallen. Partikel der meisten Größen, egal woraus sie bestehen, folgen einem gemeinsamen Satz wissenschaftlicher Regeln. Es ist, als ob sie kollektiv trainiert wurden, ihre Ellbogen vom sprichwörtlichen Esstisch fernzuhalten; Es gibt Erwartungen – bestätigt durch Beobachtungen – darüber, wie diese Partikel interagieren. Aber keine Nanokristalle.

Nanokristalle sind eigensinnige, rebellische kleine Dinger. Und genau deshalb könnten sie die nächste große Brennstoffquelle sein [Quelle: Boysen ].

Wie die meisten kleinen Dinge, die sich nicht so verhalten, wie wir es erwarten, stellen Nanokristalle einzigartige Herausforderungen dar. Nehmen Sie zum Beispiel Gold . Wir erkennen dieses besondere Metall an seiner charakteristischen goldenen Farbe. Wenn Sie nach Gold waschen würden, würden Sie sogar einen kleinen Goldfleck an seiner Farbe erkennen. Reduzieren Sie diesen Fleck jedoch auf einen Nanometer, und Sie werden ihn nicht erkennen können (selbst wenn Sie einen Nanokristall sehen könnten). Es wird blaugrün oder rot, weil die Nanokristalle, da sie so klein sind, fast nur eine Oberfläche haben. Dieses größere Oberflächenverhältnis ermöglicht es den Metall-Nanokristallen, Farben zu absorbieren, anstatt sie zu reflektieren [Quelle: Boysen ].

Während diese kleine Tatsache Ihre Freunde auf Partys beeindrucken mag, könnte dieses Wissen – dass Nanokristalle anderen Regeln folgen als andere Materie – auch die weltweiten Energiequellen beeinflussen. Nanokristalle können nicht nur andere Eigenschaften annehmen als größere Partikel des gleichen Materials, sie reagieren auch anders mit anderen Elementen. Je kleiner das Teilchen, desto mehr Atome hat es an der Oberfläche; Je mehr Atome an der Oberfläche, desto größer die Oberfläche und desto größer die Fähigkeit, mit anderen Elementen zu interagieren.

Stellen Sie sich das so vor: Sie schwimmen in einem Wasserzylinder, der tief, aber nicht breit ist. Sie können die Ränder des Zylinders berühren, indem Sie einfach Ihre Arme und Beine wie ein Seestern ausstrecken. Dann entscheidest du dich, in einem seichten Pool von der Größe eines Basketballplatzes deine Runden zu schwimmen. Unter sonst gleichen Bedingungen kommen Sie mit mehr Wasseroberfläche in Kontakt, wenn Sie um das flache Becken herumpaddeln, als wenn Sie in dem tiefen zylindrischen schwimmen. So funktionieren auch Nanokristalle. Ihre vielen kleinen Partikel haben mehr Oberflächen, die anderen Chemikalien oder Elementen ausgesetzt sind, was zu einer höheren Geschwindigkeit chemischer Reaktionen führen kann

Diese größere Oberfläche macht Nanokristalle zu guten Katalysatoren oder Substanzen, die chemische Reaktionen ermöglichen. Als Katalysatoren eingesetzt, können Nanokristalle die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöhen, ohne sich selbst zu verändern. Dies bedeutet, dass Nanokristalle Rohstoffe bei niedrigeren Temperaturen in Kraftstoff umwandeln können als andere Katalysatoren. Umgekehrt ermöglichen Nanokristalle, mehr Kraftstoff bei niedrigerer Temperatur zu verbrennen.

Die Nanotechnologie könnte die bestehende alternative Kraftstofftechnologie praktikabler machen. Beispielsweise wird Mais in Ethanol umgewandelt , einen alternativen nicht-fossilen Brennstoff. Aber bis der Mais keimt und bewässert, geerntet, transportiert und dann in Ethanol umgewandelt wird, ist der Prozess nicht besonders kosten- oder energieeffizient. Durch die Verwendung von Nanokristallen als Katalysator könnte eine Armee von Enzymen effizient und schnell Abfallstoffe wie Holzspäne oder Gras fressen und sie in Ethanol umwandeln [Quelle: Understanding Nano ].

Es gibt jedoch nur ein Problem. Nanopartikel kommen zwar natürlich vor, sind aber schwieriger gezielt herzustellen. Forscher haben noch keinen Weg gefunden, Nanopartikel nutzbar zu machen, geschweige denn sie in Massenproduktion herzustellen. Wenn sie das tun, könnten wir eine erneuerbare, effiziente und kostengünstige Energiequelle haben – eine, die möglicherweise zu niedrigeren Energierechnungen und Fahrzeugen mit größerer Motorlaufleistung führen könnte.

Wer hat den Satz geprägt?

1986 schrieb ein amerikanischer Ingenieur namens K. Eric Drexler „Engines of Creation“ und führte den Begriff Nanotechnologie ein. Er stand an der Spitze eines aufkeimenden wissenschaftlichen Studiengebiets, das die Fantasie von Erfindern und Industrien beflügelte. Bis 2013 waren mehr als 40.000 Patente mit dem Wort „Nano“ beim US-Patentamt registriert [Quelle: US Patent and Trademark Office ].

Schalten Sie eine Taschenlampe ein und Sie werden Zeuge einer Brennstoffzelle bei der Arbeit. Im Grunde genommen ist eine Brennstoffzelle eine Energiequelle, die eine chemische Reaktion nutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Die Batterie in der Taschenlampe ist eine Brennstoffzelle, die ihre Chemikalien in einem ordentlichen kleinen Paket einschließt. Sobald die Chemikalien abgenutzt sind und nicht mehr miteinander reagieren können, kann der Akku wieder aufgeladen oder weggeworfen werden.

Es gibt eine andere Art von Brennstoffzelle, die auf die Aufnahme externer Elemente angewiesen ist. Anstatt alle Elemente eingeschlossen zu haben, benötigt beispielsweise eine Wasserstoff-Brennstoffzelle Zugang zu peripheren Elementen wie Wasserstoff und Sauerstoff, um Strom zu erzeugen [Quelle: CAFCP ]. Und hier kommt die Nanotechnologie ins Spiel. Die Anwendung der Nanotechnologie könnte dazu führen, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen effizienter arbeiten und ihre Herstellung kostengünstiger wird; Dies könnte zu niedrigeren Preisen für Fahrzeuge führen, die mit dieser Art alternativer Energie betrieben werden, sowie zur Produktion von Brennstoffzellen, die weniger Energie für den Betrieb benötigen.

Mit Nanokristallen im Spiel könnten auch die Herstellungskosten von Brennstoffzellen sinken. Herkömmlicherweise verwenden Wasserstoff-Brennstoffzellen Platin als Katalysator, um externe Elemente in Energie umzuwandeln. Platin ist relativ selten und wird durch energieintensiven Bergbau gewonnen. Durch die Verwendung von Platin-Nanokristallen wird die Menge an teurem Platin, die für den Betrieb einer Brennstoffzelle benötigt wird, erheblich reduziert. In einigen Fällen können Nanokristalle aus weniger teuren Materialien wie Kobalt verwendet werden, um die Notwendigkeit von Platin insgesamt zu umgehen [Quelle: Understanding Nano ].

Nanokristalle könnten auch das Material verändern, aus dem Brennstoffzellen gebaut werden. Die meisten Brennstoffzellen verwenden Flüssigkeit zum Anschließen von Elektroden, da Flüssigkeit ein besserer Leiter ist als ein festes Material. Aber durch das Anreichern fester Materialien mit Nanokristallen werden die Materialien selbst leitfähiger, wodurch die Notwendigkeit eines flüssigen Leiters entfällt, was zu Platzersparnis, erhöhter Leitfähigkeit und kleineren Brennstoffzellen führt [Quelle: Science Daily ]. Am Ende könnte eine Technologie, die einige der kleinsten Partikel der Welt verwendet, zur nächsten großen Brennstoffquelle führen – oder zumindest zu einer effizienteren Möglichkeit, die bereits vorhandenen Brennstoffquellen zu nutzen.

Wasserstoff ernten

Wasserstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde. Es kann aus Wasser gewonnen werden und muss nicht wie andere Kraftstoffe hergestellt werden. Bei der Verwendung als Kraftstoff entsteht als einziges Nebenprodukt Wasserdampf. Heute sind Forscher auf der Suche nach einem neuen Weg, Wasserstoff aus Wasser zu extrahieren. Mit nur Sonnenlicht und einem kostengünstigen Nickel-Nanokristall-Katalysator können sie mehrere Wochen lang Wasserstoffbrennstoff produzieren, bevor sich der Prozess zu verlangsamen beginnt [Quelle: Dume ].

Anmerkung des Autors: Könnten Nanokristalle die nächste große Brennstoffquelle sein?

Die Vorstellung von zwei Schwimmbecken ist eine großartige Möglichkeit, die strukturellen Unterschiede von Nanopartikeln zu visualisieren. Ihr schmales Tauchbecken kann tief sein oder sogar ein größeres Wasservolumen enthalten, aber seine Oberfläche ist viel kleiner als das breite, flache Sportbecken. Auch bei Nanopartikeln bleibt eine große Oberfläche frei, was zu einer höheren Geschwindigkeit der chemischen Reaktion führen kann. Daran werde ich zumindest denken, wenn ich das nächste Mal einen faulen Nachmittag am Pool verbringe.

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