I nanocristalli potrebbero essere la prossima grande fonte di carburante?

Per tutta la settimana hai sognato una giornata al mare. Mentre ti infili in costumi da bagno con protezione UV, ti spalmi la crema solare e afferri la tua macchina fotografica e gli occhiali da sole, la nanotecnologia è l'ultima cosa che hai in mente. Eppure fa parte di ciò che indossi, tieni in mano e, in larga misura, usi nella tua vita quotidiana.

La nanotecnologia , che è lo studio e la manipolazione di materia così piccola che non può essere rilevata nemmeno con un microscopio ad alta potenza, conferisce protezione dai raggi UV ai tuoi costumi da bagno e crema solare, rivestimento antiriflesso all'obiettivo della tua fotocamera e resistenza ai graffi al tuo occhiali da sole. I nanocristalli, un tipo di nanoparticella, sono utilizzati in prodotti che vanno dai cosmetici e dai sacchetti di plastica ai calzini resistenti agli odori e ai test di gravidanza domestici. E un giorno, i nanocristalli potrebbero alimentare la tua auto, oggetti intorno alla tua casa o l'edificio per uffici in fondo alla strada.

La nanotecnologia è un campo scientifico emergente ricco di possibilità, ma questa materia ultra-microscopica non è stata creata negli oscuri recessi del laboratorio di uno scienziato pazzo. Le nanoparticelle si trovano naturalmente. Si trovano negli spruzzi marini, nella cenere vulcanica e nel fumo [fonte: Science Daily ]. A volte, i nanocristalli fanno parte di sottoprodotti come lo scarico dei veicoli o i fumi emessi durante la saldatura [fonte: Nano ].

I nanocristalli hanno dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri e sono misurati su scala nanometrica. Un nanometro è un miliardesimo di metro, che è 1 milione di volte più piccolo 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, il che lo rende enorme in confronto [fonte: Nano ].

La chiave sta nel modo in cui si comportano i nanocristalli. Le particelle della maggior parte delle dimensioni, indipendentemente da cosa siano fatte, seguono un insieme comune di regole scientifiche. È come se fossero stati addestrati collettivamente a tenere i gomiti lontani dal proverbiale tavolo da pranzo; ci sono aspettative - confermate dall'osservazione - su come interagiscono queste particelle. Ma non i nanocristalli.

I nanocristalli sono piccole cose ostinate e ribelli. Ed è esattamente 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 si aspetta, 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, però, e non sarai in grado di riconoscerla (anche se potessi vedere un nanocristallo). Diventerà blu-verde o rosso perché i nanocristalli, dal momento che sono così piccoli, sono quasi interamente di superficie. Questo maggiore rapporto di superficie consente ai nanocristalli di metallo di assorbire i colori invece di rifletterli [fonte: Boysen ].

Mentre questo piccolo fatto può impressionare i tuoi amici alle feste, questa consapevolezza - che i nanocristalli seguono regole diverse rispetto ad altre materie - potrebbe anche avere un impatto sulle fonti di carburante del mondo. Non solo i nanocristalli possono assumere qualità diverse rispetto alle particelle più grandi dello stesso materiale, ma reagiscono in modo diverso con altri elementi. Più piccola è la particella, più atomi ha in superficie; più atomi sono 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 più superficie dell'acqua se remi intorno alla piscina poco profonda che galleggiare in quella profonda cilindrica. È così che funzionano anche i nanocristalli. Le loro numerose piccole particelle hanno più superfici esposte ad altre sostanze chimiche o elementi, il 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 cambiamenti essi stessi. Ciò significa che i nanocristalli possono convertire le materie prime in combustibile a temperature più basse rispetto ad altri catalizzatori. Al contrario, i nanocristalli consentono di bruciare più carburante a una temperatura inferiore.

La nanotecnologia potrebbe rendere più praticabile la tecnologia dei combustibili alternativi esistente. Ad esempio, il mais viene convertito in etanolo , un combustibile alternativo non fossile. Ma quando il mais germina e viene irrigato, raccolto, trasportato e quindi convertito in etanolo, il processo non è particolarmente efficiente in termini di costi o di energia. Utilizzando i nanocristalli come catalizzatore, un esercito di enzimi potrebbe mangiare 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, però. Le nanoparticelle, sebbene presenti in natura, sono più difficili da produrre intenzionalmente. I ricercatori non hanno ancora trovato un modo per sfruttare le nanoparticelle, per non parlare della loro produzione in serie. Quando lo fanno, potremmo avere una fonte di energia rinnovabile, efficiente ed economica, che potrebbe potenzialmente comportare una riduzione delle bollette energetiche e veicoli con una maggiore percorrenza 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. Nel 2013 c'erano più di 40.000 brevetti con la parola "nano" registrati presso l'Ufficio brevetti degli Stati Uniti [fonte: US Patent and Trademark Office ].

Accendi una torcia e vedrai una pila 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 consumano 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 avere tutti i suoi elementi racchiusi, una cella a combustibile a idrogeno, ad 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 una riduzione dei prezzi per i veicoli alimentati con questo tipo di energia alternativa, nonché 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 mineraria 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 aggirare del tutto la necessità di platino [fonte: Understanding Nano ].

I nanocristalli potrebbero anche cambiare il materiale utilizzato per costruire le celle a combustibile. 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 risparmiare spazio, 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'idrogeno

L'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 poco costoso, possono produrre carburante a idrogeno per diverse settimane prima che il processo inizi a rallentare [fonte: Dume ].

Nota dell'autore: i nanocristalli potrebbero essere la prossima grande fonte di carburante?

Immaginare due piscine è un ottimo modo per visualizzare le differenze strutturali delle nanoparticelle. La tua piccola piscina per immersioni può essere profonda o addirittura contenere un volume d'acqua maggiore, ma la sua superficie è molto più piccola della piscina olimpionica ampia e poco profonda. Anche le nanoparticelle rimangono con molta superficie esposta, il che può portare a una maggiore velocità di reazione chimica. Almeno, questo è ciò a cui penserò la prossima volta che passerò un pigro pomeriggio in piscina.

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