آیا نانوکریستال ها می توانند منبع سوخت بعدی باشند؟

در حالی که بشر تا همین اواخر قادر به کنترل ذرات در اندازه نانو نبوده است، نانوذرات همیشه وجود داشته اند. آنها در خاکستر آتشفشانی وجود دارند.

نانوتکنولوژی که مطالعه و دستکاری مواد به قدری کوچک است که حتی نمی توان آن را با میکروسکوپ پرقدرت تشخیص داد، از لباس شنا و کرم ضد آفتاب شما در برابر اشعه ماوراء بنفش محافظت می کند، لنز دوربین شما را پوشش می دهد و در برابر خش مقاومت می کند. عینک آفتابی نانوکریستال‌ها، نوعی نانوذرات، در محصولاتی از لوازم آرایشی و کیسه‌های نگهداری پلاستیکی گرفته تا جوراب‌های مقاوم در برابر بو و تست‌های بارداری خانگی استفاده می‌شوند. و روزی، نانوکریستال‌ها می‌توانند ماشین شما، وسایل اطراف خانه یا ساختمان اداری در خیابان را تامین کنند.

نانوتکنولوژی یک حوزه علمی در حال ظهور است که از نظر امکان غنی است .نانوذرات به طور طبیعی وجود دارند. آنها در دریا، خاکستر آتشفشانی و دود یافت می شوند گاهی اوقات، نانوکریستال ها بخشی از محصولات جانبی مانند اگزوز خودرو یا دودهای منتشر شده در طول جوشکاری هستند.

اندازه نانوکریستال ها از 1 تا 100 نانومتر است و در مقیاس نانو اندازه گیری می شوند. یک نانومتر یک میلیاردم متر است که 1 میلیون برابر کوچکتر از مورچه است. بنابراین چگونه یک نانوکریستال می تواند تبدیل به یک منبع سوخت قدرتمند شود؟ از این گذشته، یک ورق کاغذ متوسط ​​100000 نانومتر ضخامت دارد که در مقایسه آن را بزرگ می کند .

نکته کلیدی در نحوه رفتار نانوبلورها نهفته است. ذرات در اکثر اندازه ها، صرف نظر از اینکه از چه ساخته شده اند، از یک سری قوانین علمی مشترک پیروی می کنند.نانوبلورها چیزهای کوچک و سرکشی هستند. و دقیقاً به همین دلیل است که آنها می توانند منبع سوخت بعدی باشند.

نانوکریستال ها: یک راه حل بالقوه بزرگ در یک بسته میکروسکوپی

مانند بسیاری از چیزهای کوچک که آنطور که ما انتظار داریم رفتار نمی کنند، نانوکریستال ها چالش های منحصر به فردی را ایجاد می کنند. برای مثال طلا را در نظر بگیرید. ما این فلز خاص را به دلیل رنگ طلایی آن می شناسیم. اگر به دنبال طلا بودید، حتی یک تکه کوچک طلا را از روی رنگ آن تشخیص می دادید. با این حال، این لکه را تا یک نانومتر کاهش دهید، و نمی‌توانید آن را تشخیص دهید (حتی اگر بتوانید یک نانوکریستال را ببینید). آبی مایل به سبز یا قرمز خواهد شد زیرا نانوبلورها از آنجایی که بسیار کوچک هستند، تقریباً به طور کامل سطحی دارند. این نسبت بیشتر سطح به نانوبلورهای فلزی اجازه می‌دهد تا رنگ‌ها را به جای انعکاس آنها جذب کنند .

این دانش که نانوکریستال ها از قوانین متفاوتی نسبت به مواد دیگر پیروی می کنند می تواند بر منابع سوخت جهان نیز تأثیر بگذارد. نانوکریستال‌ها نه تنها می‌توانند کیفیت‌های متفاوتی نسبت به ذرات بزرگ‌تر از یک ماده داشته باشند، بلکه واکنش‌های متفاوتی با عناصر دیگر دارند. هرچه ذره کوچکتر باشد، اتم های بیشتری در سطح دارد. هر چه تعداد اتم ها در سطح بیشتر باشد، مساحت سطح بیشتر است و توانایی بیشتری برای برهم کنش با عناصر دیگر خواهد داشت.

در مورد این موضوع اینطور فکر کنید: شما در یک استوانه آبی شنا می کنید که عمیق است اما پهن نیست. شما می توانید لبه های سیلندر را به سادگی با دراز کردن دست ها و پاهای خود مانند ستاره دریایی لمس کنید. سپس تصمیم می گیرید که در یک استخر کم عمق به اندازه یک زمین بسکتبال، دور شنا کنید. اگر همه چیز یکسان باشد، اگر در اطراف استخر کم عمق دست و پا بزنید تا شناور در استوانه عمیق، با سطح بیشتری از سطح آب در تماس خواهید بود. نانوکریستال ها نیز اینگونه عمل می کنند. بسیاری از ذرات کوچک آنها سطوح بیشتری در معرض مواد شیمیایی یا عناصر دیگر دارند که می تواند منجر به سرعت بیشتری از واکنش شیمیایی شود.

این مساحت سطح بیشتر، نانوکریستال‌ها را به کاتالیزورهای خوبی تبدیل می‌کند، یا موادی که امکان واکنش‌های شیمیایی را فراهم می‌کنند. هنگامی که نانوکریستال ها به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند، می توانند سرعت یک واکنش شیمیایی را بدون تغییر خود افزایش دهند. این بدان معناست که نانوکریستال‌ها می‌توانند مواد خام را در دمای پایین‌تری نسبت به سایر کاتالیزورها به سوخت تبدیل کنند. برعکس، نانوکریستال‌ها سوزاندن سوخت بیشتری را در دمای پایین‌تر ممکن می‌سازند.

نانوتکنولوژی می تواند فناوری سوخت جایگزین موجود را قابل دوام تر کند. به عنوان مثال، ذرت به اتانول ، یک سوخت غیرفسیلی جایگزین تبدیل می شود. اما زمانی که ذرت جوانه می زند و آبیاری می شود، برداشت می شود، حمل می شود و سپس به اتانول تبدیل می شود، این فرآیند به ویژه از نظر هزینه یا انرژی کارآمد نیست. با استفاده از نانوبلورها به عنوان کاتالیزور، ارتشی از آنزیم‌ها می‌توانند به‌طور مؤثر و سریع روی مواد زائد مانند خرده‌های چوب یا علف غذا بخورند و آنها را به اتانول تبدیل کنند .

هر چند فقط یک مشکل وجود دارد. نانوذرات، در حالی که به طور طبیعی وجود دارند، تولید هدفمند آن دشوارتر است. محققان هنوز راهی برای مهار نانوذرات پیدا نکرده‌اند، چه رسد به تولید انبوه آنها. وقتی آنها این کار را انجام دهند، ما می‌توانیم یک منبع انرژی تجدیدپذیر، کارآمد و ارزان داشته باشیم  منبعی که به طور بالقوه می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌های انرژی و خودروهایی با مسافت پیموده شده بیشتر شود.