Materialevidenskab
Er den grusomme scene fra ‘3-Body Problem’ tæt på virkeligheden?
Den menneskelige søgen efter det optimale er umættelig og uendelig. Materialevidenskabsfolk er altid på jagt efter den tyndeste, den stærkeste eller den letteste. I en sådan søgen har et team af forskere fra Laboratoriet for Teori og Simulation af Materialer ved EPFL i Lausanne, en del af NCCR MARVEL, brugt beregningsmetoder til at fastslå, hvad der kunne være den tyndeste mulige metalliske tråd.
Før vi dykker dybere ned i deres forskning og dens specifikationer, lad os se på den teoretiske vision, der drev forskningen.
Søgen efter at nå den ultimative grænse i nedskalering
Forskningen fokuserede på endimensionelle materialer. Den begyndte med antagelsen om, at disse materialer kunne have unikke elektroniske egenskaber, med eksempler som kulstofnanorør, ultratynde nanotråde og få-atomers atomkæder.
På grund af deres potentielle egnethed til næste generations anvendelser blev forskerne stadig mere nysgerrige og ivrige efter at udforske yderligere kilder til fremstilling af disse materialer.
Forskerne identificerede, at eksfoliering af bulkmaterialer kunne fungere som en naturlig kilde til endimensionelle tråde. Derfor konsulterede de en database over endimensionelle materialer, der kunne eksfolieres fra eksperimentelt kendte tredimensionelle van-der-Waals-forbindelser. Denne udforskning førte i sidste ende til opdagelsen af flere stabile tråde.
Den mest betydningsfulde opdagelse var dog at finde den tyndeste mulige eksfolierbare metalliske tråd, CuC2. Denne fund udgør en milepæl i videnskabssamfundets søgen efter at nå den ultimative grænse for nedskalering.
“Det er virkelig interessant, fordi man ikke ville forvente en egentlig tråd af atomer langs en enkelt linje skulle være stabil i den metalliske fase.”
En betydelig mængde eksperimentering var nødvendig for at opnå den metalliske tråd CuC2, en lige linjekæde bestående af to carbonatomer og et kobberatom – den tyndeste mulige metalliske nanotråd, stabil ved 0 K.
Udgangspunktet var en samling på mere end 780.000 krystaller – udvalgt fra en række databaser – holdt sammen af van-der-Waals-kræfter. Disse kræfter forekommer som svage interaktioner mellem atomer, hvis elektroner er tæt nok på hinanden til at overlappe. Forskerne så derefter nærmere på disse materialer for at finde deres rumlige organisation og vurdere den energi, der kræves for at adskille den endimensionelle struktur fra resten af krystallen.
Denne filtrering førte til en liste på 800 endimensionelle materialer, som derefter blev reduceret til 14. Forskerne tog endelig dette udvalg på 14 og beregnede det i større detaljer for at bekræfte deres stabilitet og vurdere deres elektroniske opførsel.
De endelige resultater pegede på to metaller og to halvmetaller som de mest interessante. En af de fire var den metalliske tråd CuC2, en lige linjekæde med to carbonatomer og et kobberatom. Den kan kaldes den tyndeste mulige nanotråd, stabil ved 0 K, og eksfolieret fra tre forskellige forældrekrystaller:
- NaCuC2
- KCuC2
- RbCuC2
CuC2’s særegenhed var, at den krævede lidt energi for udtrækning, og – som en kæde – kunne bøjes uden at ændre sine metalliske egenskaber.
Forskerne planlægger at fortsætte arbejdet med deres opdagelse. Denne proces vil ikke kun omfatte syntese af nye materialer, men også undersøge materialernes evne til at transportere elektriske ladninger og vurdere deres opførsel ved forskellige temperaturer.
Selvom denne specifikke forskning førte til et gennembrud, er videnskabeligt arbejde omkring nanofibre ikke noget nyt og har foregået i en længere periode. Interesset for disse metalliske tråde har været så intenst, at de også er blevet nævnt i populærkulturen.
En af de mest kendte nævnelser af nanofibre er i 3 Body Problem, den 2024 sci-fi-serie, baseret på ‘Remembrance of Earth’s Past’ af Liu Cixin. Brugen af nanofibre i serien og udviklingen omkring den inden for den virkelige videnskabelige forskning får os til at tænke, at det er en sci-fi-verden, der er tættere på virkeligheden, end vi tror.
Nanofibre i ‘3 Body Problem’
3 Body Problem bruger begreberne nanoteknologi som en integreret del af sin fortælling. En af karaktererne i serien, Dr. Auggie Salazar, spillet af Eiza Gonzalez, er en ekspert på dette område, som har revolutioneret dette studieområde.
Brugen af nanofibre er dog meget mere end et karakteropbyggende element for Auggie i serien. Det er et afgørende værktøj til at skabe den største og mest skræmmende scene i serien. Nanofibre-teknologi bruges her som et våben til at bevare teknologi ombord på et fjendtligt skib, Judgment Day.
Skibet er blevet charteret af den tilbagetrukne milliardær og alien-sympatisør Mike Evans, en karakter spillet af Jonathan Pryce. Nanofibrene – i dette skib – bruges som et barberknivskarpt gitter, der ender med at dræbe alle ombord på den mest brutale og voldelige måde, mens Trisolan-alienteknologien forbliver reddet, så menneskene kan udnytte den.
Scenen har udløst mange spekulationer om dens levedygtighed og om det var muligt for nanofibre at skære igennem både både, diamanter, mennesker og mere.
Men hvad der nu synes at være vigtigere, er spørgsmålet om, hvor tæt vores teknologiske virkelighed er på science fiction. I det mindste i tilfældet med nanofibre er den tættere, end vi tror. Nanofibre har mange anvendelser i den virkelige verden, og vi vil udforske nogle af dem i de kommende segmenter.
Klik her for en liste over de bedste nanoteknologivirksomheder.
Nanofibre og deres anvendelser i den virkelige verden
En omfattende gennemgang af nanofibres praktiske anvendelsespotentiale viser, at de kan bruges til lægemiddellevering, vandfiltrering, biomedicinske anvendelser, energilagring, beskyttelsesbeklædning og mere.
Inden for sundhedssektoren har nanofiber-baserede sårforbindinger vist sig at være yderst nyttige ved at skabe et gunstigt miljø for vævsregenerering. På samme måde frigiver nanofibre i lægemiddellevering effektivt lægemidler med en kontrolleret hastighed, hvilket øger patientens overholdelse og minimerer bivirkninger. Derudover understøtter nanofibre inden for medicinsk videnskab vævsteknologi og regenerativ medicin, hvor nanofiber-rammer kan udvikles til at efterligne den ekstracellulære matrix og fremme væksten af funktionelle væv og organer.
Derefter hjælper nanofibre i miljøsanering med at rense vand og luft. Nanofiber-baserede membraner kan fjerne forurenende stoffer. Derudover hjælper nanofibre med at fremstille fleksible og strækbare elektroniske komponenter såsom sensorer og ledende tekstiler, hvilket bidrager til bærbar teknologi og menneske-maskine-grænseflader.
Inden for avanceret teknologi har nanofibre kapaciteten til at tilbyde energilagringsfaciliteter til avancerede batterier og superkondensatorer. Deres høje overfladeareal og porøsitet gør dem velegnede til sådanne anvendelser. Nanofibre viser sig også effektive til banebrydende teknologianvendelser, der er egnet til rumforskning, idet de opfylder de kvalificerende egenskabskriterier – lette, men stærke, holdbare, men sikre.
Alle disse anvendelsesmuligheder gør nanofibre til et kraftfuldt materiale for teknologivirksomheder at arbejde med. Mange virksomheder har arbejdet inden for nanofibre og relateret udvikling. Nedenfor diskuterer vi et par af dem.
#1. Kato Tech
Kato Tech ligger foran mange af sine konkurrenter inden for området på grund af den enorme effektivitet, den har indført i nanofiberproduktionssystemet. Virksomhedens Nanofiber Electrospinning Unit bruger elektrospinningsteknikker til sikkert og nemt at producere nanofibre med diametre fra 50 til 800 nm. Kato Tech-enheden er i stand til at producere nanofibre selv fra en lille mængde af forskellige polymerer.
“Kato Tech Co., Ltd. i Japan påtog sig udviklingen af en elektrospinning-enhed til laboratoriebrug og skabte et system, der inkluderede en spændingsgenerator og dyse, rullerbevægelse, en kvantitativ sprøjtepumpe og en trækfunktion. Denne enhed indeholdt i høj grad idéerne fra Drexel University’s Dr. Frank Ko, en førende autoritet inden for elektrospinning, og gjorde det muligt at skabe nanofibre let ved brug af elektrospinning.”
Enheden har en spids positiv elektrode (kapillær) og en flad negativ (jord) elektrode. Når høj spænding påføres mellem de to elektroder, tiltrækkes den ladede smeltede polymer eller polymeropløsning fra kapillæren gennem det elektriske felt mod den negative elektrode. Som resultat bliver de polymerer med lav molekylær kohæsion til en spray, mens de med høj molekylær kohæsion yderligere adskilles til fibre, tiltrækkes af den negative elektrode og danner et tyndt lag af fibre igen.
Ifølge de seneste tilgængelige finansielle rapporter tjente Kato Tech 29.568 millioner yen i de første seks måneder, der sluttede den 30. september 2022, med en årlig vækst på 13%.
#2. American Elements
En anden virksomhed, der har arbejdet omfattende med nanoteknologi, er American Elements. Dens produkter spænder over domænerne nanopartikler og nanopulvere, nanopartikel-disperser, funktionaliserede nanomaterialer, carbonbaserede nanomaterialer og nanoteknologi-drevne blæk, prismer, stænger, kugler, rør, ledninger og mere.
Hvis vi kun ser på virksomhedens nanotråds-muligheder, vil vi se, at den har nanotråde lavet af aluminium, guld, silicium, iridium, kobolt, jern, sølv, kobber, bly, mangan, nikkel og mange flere.
Hvis vi taler om nanofibre i særdeleshed, tilbyder virksomheden carbon- og siliciumnitridnanofibre. Dens carbon-nanofibre er rørformede, høj-overfladeareal carbon-nanostrukturer med anvendelser inden for alternativ energi, elektronik og medicin, mens dens siliciumnitridnanofibre viser sig effektive inden for fødevarer, landbrug, farmaceutik og optiske løsninger.
American Elements påstår at være verdens største producent af konstruerede og avancerede materialer. Den leverer både teknisk vejledning og fremstillede produkter i et online katalog på over 12.000 sider, som indeholder over 3.000 elementære metal-, kemikalie-, keramiske, og krystallinske lagerartikler.
Den nanofiber-drevne fremtid
Nanofiber-relaterede udviklinger vil snart blive synlige over hele verden. Et land, der har gjort en fremragende fremgang på dette område, er Japan. Ifølge data leveret af MECC Nanofiber overstiger antallet af artikler relateret til nanofibreover 40.000 i Japan pr. 27. marts 2024.
Nanofibre har allerede demonstreret sin kommercielle levedygtighed ved at muliggøre højtydende produkter såsom filtre og ansigtsmasker. Disse produkter drager fordel af nanofibres høje støvopsamlings effektivitet og lavt tryktab.
Nanofibre tilbyder betydelige fordele inden for biomedicin, med-tech og sundhedssektoren på grund af deres alsidige egenskaber, der gør dem medicinsk nyttige. For eksempel er de fremragende materialer til at bygge celleproliferationsskabeloner, fordi de let binder sig til celler. De går ud over blot at være biologisk nedbrydelige; de er bioabsorberbare og nedbrydes sikkert i kroppen over tid. På grund af deres porøsitet og store overfladeareal med små huller, der tillader opløsninger at trænge ind, udviser nanofibre fremragende fugtighedsbevarelse, fysisk og dynamisk styrke samt justerbar elasticitet.
Vi har allerede diskuteret materialets mange medicinske anvendelsesfordele. I fremtiden vil nanofibre også blive i stigende grad anvendt som transdermale absorberende midler, lægemiddelfrigivende kunstig hud, kunstige blodkar, hornhinder og hud samt som fyldningsmateriale til kunstige knogler.
Desuden bringer hver dag os tættere på de foruroligende scenarier skildret i ‘3-Body Problem’, hvilket fremhæver den voksende betydning af forskning og udvikling inden for nanoteknologi og nanofibre. Denne forskning er afgørende, da den hjælper regenerativ sundhedspleje med at udvikle sig i stadig mere komplekse scenarier, og den er blot ét eksempel på dens mange potentielle anvendelser.
Klik her for en liste over fem virksomheder, der leder udviklingen af nanoteknologi.
