«Τετράγωνος πάγος» δημιουργήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου

Ένας από τους δύο φυσικούς που βραβεύτηκαν με Νόμπελ για την ανακάλυψη του γραφενίου το 2014 καμαρώνει τώρα για μια νέα επιτυχία: χρησιμοποιώντας αυτή τη θαυματουργή μορφή άνθρακα, κατάφερε να δημιουργήσει μια νέα μορφή πάγου, και μάλιστα σε θερμοκρασία δωματίου.
Ο λεγόμενος «τετράγωνος» πάγος, στον οποίο τα μόρια νερού διατάσσονται σε σχήμα κύβου, είναι εντελώς διαφορετικός από τον πάγο που γνωρίζουμε, γνωστό ως πάγο I_h, που αποτελείται από μόρια νερού συνδεδεμένα σε εξάγωνα.

Σχεδόν όλος ο πάγος που υπάρχει στη Γη είναι πάγος I_h. Μέχρι σήμερα, όμως, οι φυσικοί έχουν ανακαλύψει ή δημιουργήσει ακόμα 16 μορφές πάγου, οι οποίες σχηματίζονται σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας.

Για παράδειγμα ο πάγος I_c, υπάρχει έχει εντοπιστεί σε παγοκρυστάλλους ψηλά στην ατμόσφαιρα, ενώ μια τρίτη μορφή, ο πάγος ΧΙ, έχει βρεθεί σε αρχαίους πάγους της Ανταρκτικής.

Μια ακόμα μορφή πάγου, η οποία έχει μικρότερη πυκνότητα από όλες τις υπόλοιπες μορφές, δημιουργήθηκε στο εργαστήριο το 2014 και βαφτίστηκε πάγος XVI.

Ο νέος, τετράγωνος πάγος θα μπορούσε να αναγνωριστεί σύντομα ως η 18η γνωστή στερεά φάση του νερού. Δημιουργήθηκε από τον Αντρέ Γκέιμ, βρετανό φυσικό ρωσικής καταγωγής, ο οποίος βραβεύτηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 2010 μαζί με τον συνάδελφό του Κονσταντίν Νοβοσέλοφ.
Οι δύο ερευνητές τιμήθηκαν για την ανακάλυψη του γραφενίου, μιας εξωτικής και άκρως υποσχόμενης μορφής άνθρακα, αποτελούμενης από άτομα άνθρακα που διατάσσονται όλα στο ίδιο επίπεδο.

Σε προηγούμενες μελέτες του, ο Γκέιμ είχε παρατηρήσει ότι το νερό μπορεί να περνάει ανεμπόδιστα μέσα από φύλλα γραφενίου, κάτι που δεν μπορούν να κάνουν άλλα μόρια, ακόμα και τα πολύ μικρότερα μόρια ήλιου. Η νέα μελέτη της ομάδας του εξηγεί το γιατί.

Ο Γκέιμ και οι συνεργάτες του τοποθέτησαν μια μικρή σταγόνα νερού πάνω σε ένα φύλλο γραφενίου, το οποίο κάλυψαν στη συνέχεια με ένα δεύτερο φύλλο του ίδιου υλικού.

Καθώς το νερό σταδιακά εξατμιζόταν, τα δύο φύλλα πλησίαζαν όλο και περισσότερο μεταξύ τους, μέχρι που έφτασαν σε απόσταση μόλις ενός νανομέτρου. Στην απόσταση αυτή, τα άτομα άνθρακα του γραφένιου διαταράσσουν τα ηλεκτρόνια των γειτονικών ατόμων με αποτέλεσμα να έλκονται μεταξύ τους.

Λόγω αυτής της έλξης, τα δύο φύλλα γραφενίου ασκούσαν στο νερό που υπήρχε ανάμεσά τους ακραία πίεση της τάξης των 10.000 ατμοσφαιρών.

Η πίεση ουσιαστικά ισοπέδωσε τα μόρια νερού και τα ανάγκασε να πάρουν τετραγωνική διάταξη ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου. Σε κάθε στρώμα του τετράγωνου πάγου, όλα τα άτομα διατάσσονται στο ίδιο επίπεδο και οι δεσμοί οξυγόνου-υδρογόνου σχηματίζουν ευθείες γωνίες. Ο πάγος που δημιούργησαν οι ερευνητές περιείχε δύο με τρία τέτοια στρώματα, με τα άτομα οξυγόνου των διαδοχικών στρωμάτων να κάθονται το ένα ακριβώς πάνω από το άλλο, σχηματίζοντας έτσι κύβους.

Ο λόγος που το νερό περνάει τόσο εύκολα μέσα από το γραφένιο είναι ότι ένα ελαφρύ σπρώξιμο στη μία άκρη του στρώματος πάγου αρκεί για να μετακινηθεί ολόκληρο το στρώμα σχεδόν χωρίς καθόλου τριβές.

Τα ευρήματα της μελέτης, λένε οι ερευνητές, είναι χρήσιμα για την κατανόηση της ροής του νερού σε πολύ στενούς χώρους, για παράδειγμα μέσα σε νανοσηλώνες άνθρακα ή διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών.

Θεωρητικά, μάλιστα, η δημιουργία τετράγωνου πάγου σε μεγάλες ποσότητες θα έδινε τετράγωνες χιονονιφάδες, αντί τις εξαγωνικές χιονονιφάδες που γνωρίζουμε στην καθημερινή ζωή.

Το παρακάτω βίντεο δείχνει τον τετράγωνο πάγο στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο :

Μετά το γραφένιο, ο ξάδελφός του το πυριτένιο

Το πυριτένιο είναι φύλλα πυριτίου με πάχος ενός ατόμου

 (Πηγή: Li Tao et al. / Nature Nanotechnology)  

Διεθνής ομάδα ερευνητών παρουσιάζει το πρώτο τρανζίστορ από πυριτένιο, μια μορφή πυριτίου που παίρνει τη μορφή φύλλων με πάχος ενός μόλις ατόμου. Το υποσχόμενο νέο υλικό, το οποίο δημιουργήθηκε για πρώτη φορά στο εργαστήριο το 2009, θα μπορούσε να αντικαταστήσει το συμβατικό πυρίτιο στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές.

Το πυριτένιο είναι μέλος μιας νέας κατηγορίας δισδιάστατων υλικών, από τα οποία το διασημότερο είναι αναμφίβολα το γραφένιο, μια παραλλαγή του γραφίτη αποτελούμενη από μονοατομικά φύλλα άνθρακα.

Το γραφένιο είναι το ανθεκτικότερο υλικό που γνωρίζει ο άνθρωπος. Είναι επίσης ο καλύτερος αγωγός του ηλεκτρισμού, και πολλοί πιστεύουν ότι θα αντικαταστήσει τελικά το πυρίτιο στα ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Η αξιοποίησή του συναντά ωστόσο εμπόδια. Σε αντίθεση με το πυρίτιο, το γραφένιο δεν διαθέτει το λεγόμενο ενεργειακό διάκενο -ένα ενεργειακό εμπόδιο το οποίο πρέπει να υπερβούν τα ηλεκτρόνια για να δημιουργήσουν ηλεκτρικό ρεύμα. Επιπλέον, η χρήση του θα απαιτούσε εκτεταμένες αλλαγές στα εργοστάσια της βιομηχανίας ημιαγωγών.

Το πυριτένιο θα μπορούσε να δώσει λύσει, πιστεύουν οι ερευνητές που παρουσιάζουν το πρωτοποριακό τρανζίστορ στην επιθεώρηση "Nature Nanotechnology".

Το βασικό εμπόδιο που έπρεπε να ξεπεράσουν οι ερευνητές, είναι η ευαισθησία του πυριτένιου στον αέρα -η συσκευή που δημιούργησαν άντεξε για μόλις δύο λεπτά.

Σε πρώτη φάση, η ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν και στο ιταλικό Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής και Μικροσυστημάτων δημιούργησε πυριτένιο αφήνοντας ατμό πυριτίου να επικαθίσει σε ένα λεπτό φύλλο αργύρου μέσα σε θάλαμο κενού. Τα φύλλα πυριτένιου καλύφθηκαν στη συνέχεια με ένα στρώμα αλουμίνας και τοποθετήθηκαν σε μια βάση από οξειδωμένο πυρίτιο. Το τελικό βήμα της διαδικασίας ήταν η προσεκτική αφαίρεση ενός μέρους του αργύρου έτσι ώστε να μείνει εκτεθειμένη μια λωρίδα από πυριτένιο.

Στα δύο λεπτά που λειτούργησε η συσκευή μέχρι το πυριτένιο να διαλυθεί από τον αέρα, οι ερευνητές πρόλαβαν να μετρήσουν τις ιδιότητές του. Επιβεβαίωσαν ότι το νέο υλικό δεν είναι τόσο καλός αγωγός του ηλεκτρισμού όσο το γραφένιο, διαθέτει όμως το απαραίτητο ενεργειακό διάκενο.

Το μέλλον να δείξει αν είναι δυνατή η κάλυψη του πυριτένιου με άλλα υλικά προκειμένου να λειτουργεί προστατευμένο από την ατμόσφαιρα.
Η ίδια πειραματική προσέγγιση θα μπορούσε πάντως να εφαρμοστεί και σε ένα άλλο υλικό που διαλύεται στον αέρα, μια δισδιάστατη μορφή του γερμανίου που ονομάζεται γερμανένιο.

Το μειονέκτημα του γερμανενίου είναι ότι η παραγωγή του αυτή τη στιγμή κυμαίνεται σε πολύ χαμηλά επίπεδα.

Πηγή : in.gr

Το ταπεινό σελοτέιπ σε μια ακόμα ανακάλυψη

Το σελοτέιπ έχει χρησιμοποιηθεί σε τουλάχιστον μία ανακάλυψη που βραβεύτηκε με Νόμπελ.

Τώρα, η θαυματουργή κολλητική ταινία πρωταγωνιστεί σε ακόμα μια καινοτομία, η οποία υπόσχεται μικρότερες και ταχύτερες ηλεκτρονικές συσκευές.

Ερευνητές από τις ΗΠΑ και τη Νότιο Κορέα αναφέρουν ότι χρησιμοποίησαν σελοτέιπ για να δημιουργήσουν εξαιρετικά στενές αυλακώσεις πάνω σε μια πλάκα από πυρίτιο επιστρωμένη με μέταλλο.

Οι αυλακώσεις αυτές, με πλάτος μόλις ενός νανομέτρου -όσο καταλαμβάνουν λίγα άτομα- θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση για νέες ηλεκτρονικές και οπτικές συσκευές, αναφέρουν οι ερευνητές στην επιθεώρηση "Nature Communications".

Συγκεκριμένα, οι αυλακώσεις θα μπορούσαν να «στριμώχνουν» το φως σε εξαιρετικά μικρούς χώρους -αυτό θα ήταν εξαιρετικά χρήσιμο στα λεγόμενα οπτικά κυκλώματα, στα οποία η πληροφορία μεταδίδεται υπό τη μορφή φωτός.

Λόγω κβαντικών φαινομένων, το φως μπορεί να εισέλθει στις αυλακώσεις παρόλο που το πλάτος των αυλακώσεων αυτών είναι μικρότερο από το μήκος κύματος του φωτός. Και όταν το φως «στριμώχνεται» σε τόσο στενούς χώρους, η ένταση της ακτινοβολίας αυξάνεται κατά εκατομμύρια φορές. 

Για να δημιουργήσουν τις νανοαυλακώσεις, οι ερευνητές ξεκίνησαν με μια πλάκα από πυρίτιο πάνω στην οποία δημιούργησαν ένα ανάγλυφο μοτίβο από μέταλλο καλυμμένο από ένα λεπτό φιλμ. Πάνω σε αυτή την πλάκα τοποθέτησαν στη συνέχεια ένα στρώμα μετάλλου.

Στο τελικό στάδιο, κόλλησαν πάνω στην πλάκα σελοτέιπ και αμέσως μετά το ξεκόλλησαν. Η κολλητική ταινία παρασύρει το ανώτερο στρώμα μετάλλου και το υποκείμενο λεπτό φιλμ, αφήνοντας πίσω μικροσκοπικά κενά σε σχήμα αύλακας.

 «Η τεχνική μας είναι εξαιρετικά απλή, μπορεί ωστόσο να δημιουργεί ομοιόμορφα και εξαιρετικά μικρά κενά, τα οποία δεν μπορούσαμε να δημιουργήσουμε στο παρελθόν. Ελπίζουμε ότι θα προσελκύσει αμέσως το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών» σχολίασε ο Σαν-Χιούν Οχ του Πανεπιστημίου της Μινεσότα, μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Η μελέτη είναι μία ακόμα επιτυχία για το σελοτέιπ, το οποίο έπαιξε κεντρικό ρόλο σε ένα επίτευγμα που βραβεύτηκε με Νόμπελ Φυσικής το 2010.

Στην περίπτωση αυτή, ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ χρησιμοποίησαν σελοτέιπ για να ξεκολλήσουν εξαιρετικά λεπτά φύλλα από μια μάζα γραφίτη.

Αυτό που έμεινε τελικά πάνω στο σελοτέιπ είναι το θαυματουργό γραφένιο: ένα υλικό που αποτελείται από φύλλα άνθρακα πάχος ενός μόλις ατόμου, και θεωρείται το πιο ανθεκτικό υλικό που γνωρίζει ο άνθρωπος.

Χάρη στις ιδιαίτερες φυσικές και χημικές ιδιότητες, το γραφένιο αναμένεται να φέρει επανάσταση στην ηλεκτρονική -μια επανάσταση που σίγουρα θα οφείλουμε στο σελοτέιπ...

Πηγή : in.gr

Δείτε ακόμη για το γραφένιο :
Το πολυμήχανο γραφένιο υπόσχεται φθηνή, εύκολη αφαλάτωση

Γραφένιο: άνθρακας σε δύο διαστάσεις

Το πολυμήχανο γραφένιο υπόσχεται φθηνή, εύκολη αφαλάτωση

Η Lockheed Martin, μια εταιρεία περισσότερο γνωστή για τα μαχητικά αεροπλάνα και τους πυραύλους που παράγει, υποστηρίζει τώρα ότι μπορεί να χρησιμοποιήσει το θαυματουργό υλικό γραφένιο για να μειώσει το κόστος και να αυξήσει την παραγωγή στις μονάδες αφαλάτωσης θαλασσινού νερού.

Η αφαλάτωση είναι σήμερα μια ακριβή και ενεργοβόρος διαδικασία που βασίζεται στην αρχή της αντίστροφης ώσμωσης : το θαλασσινό νερό διοχετεύεται υπό μεγάλη πίεση σε φίλτρα με μικροσκοπικούς πόρους, οι οποίοι αφήνουν το νερό να περάσει αλλά συγκρατούν τα ιόντα των αλάτων.
Η διαδικασία θα μπορούσε να γίνει πιο αποδοτική με τη χρήση του γραφενίου, ατόμων άνθρακα που διατάσσονται όλα στο ίδιο επίπεδο και σχηματίζουν έτσι ένα υπέρλεπτο, υπερανθεκτικό φύλλο.
Η Lockheed Martin υπολογίζει ότι η ενέργεια και η πίεση που απαιτείται προκειμένου να περάσουν τα άτομα νερού από τα φίλτρα αφαλάτωσης θα ήταν 100 φορές μικρότερη αν τα φίλτρα ήταν μεμβράνες γραφενίου με τρύπες διαμέτρου 1nm (νανόμετρο : εκατομμυριοστό του χιλιοστού).

Το γραφένιο "είναι 500 φορές πιο λεπτό από τα καλύτερα φίλτρα που κυκλοφορούν στη σημερινή αγορά. Είναι επίσης πιο γερό από το ατσάλι" επισήμανε στο Reuters ο Τζον Στέτσον, μηχανικός της Lockheed Martin.

Η εταιρεία θα έχει πρέπει πάντως να ξεπεράσει αρκετές τεχνικές προκλήσεις: το γραφένιο είναι σήμερα απαγορευτικά ακριβό για εμπορική χρήση, παράγεται σε μικρές μόνο ποσότητες, και επιπλέον η τεχνική που απαιτείται για τη δημιουργία των μικροσκοπικών οπών δεν έχει ακόμα τελειοποιηθεί.
Το πρωτότυπο ενός φίλτρου γραφενίου, το οποίο θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στις σημερινές εγκαταστάσεις αφαλάτωσης, αναμένεται να είναι έτοιμο στα τέλη του χρόνου, ενώ η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να είναι έτοιμη για εμπορική αξιοποίηση το 2014-2015.

Σύμφωνα με τον ΟΗΕ, περίπου 780 εκατομμύρια άνθρωποι εξακολουθούν σήμερα να μην έχουν πρόσβαση σε καθαρό, πόσιμο νερό.

Πηγή : in.gr

Ένα άλλο άρθρο για το γραφένιο

Γραφένιο : άνθρακας σε δύο διαστάσεις

To γραφένιο αποτελείται

από δισδιάστατα φύλλα

άνθρακα  

Ερευνητές σε όλο τον κόσμο πασχίζουν να βρουν τρόπο να παράγουν μαζικά το γραφένιο, μια σχετικά νέα μορφή του άνθρακα, πιο σκληρή από το ατσάλι και πιο αγώγιμη από το χαλκό.

Το γραφένιο αποτελείται από άτομα άνθρακα που διατάσσονται όλα στο ίδιο επίπεδο και σχηματίζουν έτσι ένα φύλλο με πάχος ενός μόλις ατόμου. Τα φύλλα αυτά θα μπορούσαν μια μέρα να αντικαταστήσουν το πυρίτιο στην παραγωγή κυκλωμάτων, να αξιοποιηθούν σε ηλιακούς συλλέκτες υψηλής απόδοσης και να αποτελέσουν την πρώτη ύλη για υπερανθεκτικά νήματα και επιφάνειες.

Οι πρώτοι που απομόνωσαν το εξωτικό υλικό ήταν οι φυσικοί Αντρέ Γκέιμ και Κονσταντίν Νοβολέσοφ στη Βρετανία, οι οποίοι χρησιμοποίησαν μια απλή κολλητική ταινία για να αποσπάσουν φύλλα γραφένιου από κρυστάλλους γραφίτη. Η ανακάλυψη τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής του 2010, ωστόσο η μέθοδος της κολλητικής ταινίας δεν είναι δυνατό να εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα.

H επικρατέστερη από τις τεχνικές που έχουν προταθεί για μαζική παραγωγή αφορά την παραγωγή φύλλων οξειδίου του γραφενίου, το οποίο στη συνέχεια ανάγεται με χημικές μεθόδους ώστε να απομακρυνθεί το οξυγόνο και να μείνει καθαρό γραφένιο. Το πρόβλημα όμως είναι ότι οι αντιδράσεις αναγωγής απαιτούν δραστικά χημικά ή θέρμανση και μειώνουν την ποιότητα του παραγόμενου γραφένιου.

Τώρα ερευνητές στην Ιαπωνία αναφέρουν ότι ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για την παραγωγή Αυτό που δοκίμασαν ήταν να συλλέξουν δείγματα ιζημάτων από ένα γειτονικό ποτάμι στην περιοχή του Αΐτσι και να καλλιεργήσουν στο εργαστήριο τα αναερόβια βακτήρια της λάσπης.

Οι βακτηριακές καλλιέργειες αφέθηκαν στη συνέχεια να δράσουν πάνω σε φύλλα οξείδιου του γραφενίου τοποθετημένα σε πλάκες πυριτίου. Τρεις ημέρες αργότερα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα βακτήρια είχαν απομακρύνει τα άτομα οξυγόνου αφήνοντας καθαρό γραφένιο καλής ποιότητας.

Αν η μέθοδος αποδειχθεί αποτελεσματική και σε μεγάλη κλίμακα, το γραφένιο θα μπορούσε να παράγεται στο μέλλον με τη βοήθεια αυτών των ταπεινών μικροβίων της λάσπης.



Η έρευνα δημοσιεύεται στο Journal of Physics : Conference Series

Περισσότερα για το Νόμπελ Φυσικής 2010 εδώ

Σχετικά άρθρα

Χημική μέθοδος φέρνει πιο κοντά τα κυκλώματα από γραφένιο

Κυκλώματα από γραφένιο κατευθείαν από τον εκτυπωτή

Το πολυμήχανο γραφένιο ετοιμάζεται να αντικαταστήσει το Teflon