Veijo Hänninen

Monenlaista pientä kvanttista ja nanoa

Yhä pienempiin rakenteisiin mentäessä vastaan tulee kvanttisia ilmiötä ja nanoteknisiä yllätyksiä. Muun muassa se, että viat ovatkin vahvuus.

Caltechin tutkijat ovat huomanneet, että metallien 3D-tulostustekniikka nanomittakaavassa paljastaa yllätysedun.

Tutkijat ovat kehittäneet aiemmasta työstään parannetun tekniikan, jonka avulla voidaan tulostaa noin 150 nanometrin kokoisia esineitä, mikä on verrattavissa flunssaviruksen kokoon.

Niitä tehdessään ryhmä havaitsi myös, että näiden esineiden atomijärjestelyt ovat häiriintyneitä, mikä suuressa mittakaavassa tekisi näistä materiaaleista käyttökelvottomia, koska niitä pidettäisiin heikkolaatuisina. Nanokokoisten metalliesineiden tapauksessa tällä atomitason sotkulla on kuitenkin päinvastainen vaikutus: nämä osat voivat olla kolmesta viiteen kertaa vahvempia kuin vastaavan kokoiset rakenteet, joissa on järjestyneemmät atomijärjestelyt.

Valoherkkää sekoitetta, laserkovetusta ja lämpökäsittelyä ja kemiaa hyödyntäen syntyy metallisia nanopilareita.

Kun nanokokoinen pilari on virheetön, epäonnistuminen tapahtuu katastrofaalisesti niin kutsutulla raerajalla - paikassa, jossa materiaalin muodostavat mikroskooppiset kiteet törmäävät toisiinsa.

Mutta kun materiaali on täynnä vikoja, vika ei voi helposti levitä raerajalta toiselle. Tämä tarkoittaa, että materiaali ei yhtäkkiä rikkoonnu, koska muodonmuutos jakautuu tasaisemmin koko materiaaliin.

Tutkijat uskovat, että tämä on yksi ensimmäisistä demonstraatioista metallirakenteiden 3D-tulostamisesta nanomittakaavassa. Heidän mukaansa prosessia voitaisiin käyttää monien hyödyllisten komponenttien, kuten vedyn katalyyttien, luomiseen; hiilettömän ammoniakin ja muiden kemikaalien säilytyselektrodit; ja laitteiden olennaiset osat, kuten anturit, mikrorobotit ja lämmönvaihtimet.

Tarkkaa tulostusta optisten pyörteiden avulla

Osaka Metropolitan Universityn ja Chiban yliopiston tutkijat ovat ottaneet merkittäviä harppauksia tarkkuustulostuksessa innovatiivisella optisella pyörrelaserpohjaisella tekniikallaan, joka mahdollistaa pienten pisaroiden tarkan sijoittamisen mikrometrin tarkkuudella.

Mustesuihkutekniikka on hyvin tunnettu tulostustekniikka, joka ruiskii mikropisaroita suuttimesta suoraan pinnalle. Kuitenkin, kun mustepisarat ovat viskooseja ja tiheitä, suutin usein tukkeutuu, mikä on saattanut etsimään kehittyneempiä tekniikoita.

Tohtori Ken-ichi Yuyaman johtama tutkimusryhmä on onnistunut tulostamaan tasakokoisia pisaroita, joiden halkaisija on noin 100 µm, käyttämällä nestemäistä fluoresoivaa mustekalvoa, joka on noin sata kertaa viskoosimpi kuin vesi. Tämä saavutettiin säteilyttämällä kalvoa optisella pyörteellä, mikä johti mikrometrin mittakaavassa poikkeuksellisen paikannustarkkuuteen.

"Tämä tulostustekniikka mahdollistaa mikropisaroiden laserryhmien valmistuksen ja johtavien nanomusteiden mikrokuvioinnin sekä biomusteet solutelineisiin, mikä johtaa seuraavan sukupolven painettujen fotoni- tai elektroniikkalaitteiden perustamiseen." visioi Yuyama ylliopistonsa tiedotteessa.

Moottori kvanttimekaanisella käyttövoimalla

Kaiserslautern-Landaun yliopistossa (RPTU) professori tri Artur Widera ja hänen tutkimusryhmänsä kehittävät moottoria kvanttimekaanisella käyttövoimalla

Tutkimuspaperissaan he esittelevät kvanttimoottorin, jota ei voida kuvata klassisessa mielessä termodynaamisilla periaatteilla.

Lämmön sijaan tämä periaatteellinen mikroskooppinen moottori toimii kvanttiaineen tilastollisiin ominaisuuksiin liittyvällä energiaerolla. Ja seuraavan sukupolven autojen voimanlähteen sijaan tämän tyyppisiä moottoreita voidaan jonakin päivänä käyttää kvanttiakkujen lataamiseen tai kvanttitietokoneiden ja -anturien tehonlähteenä.

Professori Artur Widera oli jo aiemmassa tutkimustyössä osoittanut, että kvanttilämpömoottoria on mahdollista käyttää vakaasti ja tehokkaasti.

Nyt hän on yhdessä Stuttgartin yliopiston ja Japanin Okinawan tiede- ja teknologiainstituutin kollegoiden kanssa onnistunut kehittämään kvanttimoottorin, joka käyttää voimanaan erilaista, puhtaasti kvanttimekaanista ilmiötä.

Moottorissa tutkivat hyödyntävät bosoneita ja fermioneja ja niistä syntyviä erilaisia koosteita, joilla on erilaiset energiatasot. Niitä hyödyntämällä he ovat luoneet kvanttimekaanisen vaihtoehdon polttoaineen sytyttämiselle, jota voidaan käyttää kvanttimoottorinsa ohjaamiseen.

Kyseessä on kuitenkin vielä konseptin todistaminen mutta tutkijat uskovat että tutkimuksessa on arvokasta potentiaalia, joka voi tarjota ideoita uusiin sovelluksiin kiintoainefysiikassa, esimerkiksi suprajohtimissa, joissa fermioniset elektronit pareina myös johtavat virtaa häviöttömästi”, Widera summaa.

Kvanttiräikkä

Vaikka räikät ovat yleisiä kelloissa ja soluissa (Brownian ratchet) niitä on vaikea tehdä kvanttijärjestelmille.

Nyt tutkijat osoittavat kvanttiräikän kokoelmalle kylmiä atomeja, jotka ovat loukutettu optiseen hilaan. Vaihtelemalla hilan valokenttiä ajasta riippuvaisella tavalla tutkijat osoittavat, että he voivat siirtää atomeja hilapaikasta toiseen häiritsemättä atomien kvanttitiloja.

Eräs räikkätyyppi (Hamiltonin räikkä) toimii antamalla säännöllisiä, häviöttömiä työntöjä kaasu- tai muulle monihiukkasjärjestelmälle.

Kvanttitason räikkää on jo aiemmin osoitettu, mutta niissä hiukkaset päätyivät leviämään sinne sun tänne.

David Guéry-Odelinin Toulousen yliopistosta ja hänen kollegoidensa suunnittelemassa räikässä on tiukempi suuntaohjaus. Soveltamalla tähän potentiaaliin erityisesti viritettyjä modulaatioita, he osoittivat, että atomit liikkuivat erillisissä vaiheissa hilapaikasta toiseen.

Jokaisen vaiheen lopussa atomit pysähtyivät perustilaansa. Tällä hyvin määritellyllä kuljetuksella voi olla potentiaalisia sovelluksia aineaaltojen ohjaamiseen kvanttikokeita varten, Guéry-Odelin sanoo.

Molekyylin kokoinen elektroninen anturi

Australialaisen Curtin yliopiston tutkijat kansainvälisine kumppaneineen ovat kehittäneet molekyylin kokoisen pietsoresistorin.

Tohtori Nadim Darwish kertoo, että he ovat kehittäneet herkemmän, pienennetyn tyypin tästä keskeisestä elektronisesta komponentista, joka muuttaa voiman tai paineen sähköiseksi signaaliksi ja jota käytetään monissa jokapäiväisissä sovelluksissa.

"Kokonsa ja kemiallisen luonteensa vuoksi tämä uudentyyppinen pietsoresistori avaa kokonaan uusia mahdollisuuksia kemiallisille ja biosensoreille, ihmisen ja koneen rajapinnoille ja terveyden seurantalaitteille", Darwish jatkaa.

"Koska uudet anturimme ovat molekyylipohjaisia, niitä voidaan käyttää havaitsemaan muita kemikaaleja tai biomolekyylejä, kuten proteiineja ja entsyymejä, jotka voivat olla mullistavia sairauksien havaitsemisessa."

Uusi pietsoresistori tehtiin yhdestä bullvaleenimolekyylistä, joka mekaanisesti jännitettynä reagoi muodostaen uuden erimuotoisen molekyylin, mikä muuttaa sähkövirtaa muuttamalla resistanssia.

"Molekyylimuotojen tunnistaminen niiden sähkönjohtavuuden mukaan on täysin uusi käsite kemiallisesta tunnistamisesta ja että tämä uusi ominaisuus on kriittinen kaikkien molekyylielektroniikkalaitteiden tulevalle kehitykselle", toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Jättimäiset molekyyliroottorit toimivat kiinteässä kiteessä

Suurin haaste kiteissä - ja yleensä kiinteissä aineissa - liikkeen saavuttamiselle on niiden rakenteen tiiviisti pakattu luonne. Tämä rajoittaa dynaamisen liikkeen rajoitetun kokoisiin molekyyleihin.

Hokkaidon yliopiston apulaisprofessori Mingoo Jinin johtama ryhmä on kuitenkin saavuttanut tällaisen dynaamisen liikkeen kokoennätyksen, mikä osoittaa toistaiseksi suurimman molekyyliroottorin toimivan kiinteässä tilassa.

Molekyyliroottori koostuu keskeisestä pyörivästä molekyylistä, joka on yhdistetty akselimolekyyleillä staattorimolekyyleihin. Tällaisia järjestelmiä on raportoitu aiemmin, mutta tämän tutkimuksen kiteisessä materiaalissa on toimiva roottori, joka koostuu pentiptykeenimolekyylistä, joka on halkaisijaltaan lähes 40 % suurempi kuin aiemmat kiinteässä olomuodossa toimivat roottorit, mikä merkitsee merkittävää edistystä.

Näin suuren molekyylin pyörimisen mahdollistamiseksi on välttämätöntä luoda tarpeeksi vapaata tilaa kiinteään aineen sisään. Tiimi syntetisoi koveria, sateenvarjon kaltaisia metallikomplekseja, jotka voivat suojata roottorimolekyyliä ei-toivotulta vuorovaikutukselta kiteen muiden molekyylien kanssa.

Kiteen kokeellisten ja simuloitujen ydinmagneettisten resonanssispektrien vertailu osoitti, että jättimäinen molekyyliroottori pyörii 90 asteen intervallein taajuudella 100 - 400 kHz.

Materiaalien kehitys nanomittakaavassa

Työssä korostettiin ainutlaatuisia ominaisuuksia, joita nanomittakaavan rakenteet voivat osoittaa bulkkimateriaaleihin verrattuna

Nanomittakaavan kokoiset materiaalit vaikuttavat merkittävästi moniin aloihin elektroniikasta ilmailuun ja robotiikkaan sekä lääketieteeseen.

Northwestern Engineeringin Horacio Espinosa ja Chad Mirkin tutkivat, kuinka nanomittakaavaiset materiaalit voitaisiin järjestää makroskooppisiin rakenteisiin, joiden ominaisuudet ylittävät tavanomaisten bulkkimateriaalien ja luonnonjärjestelmien ominaisuudet.

He ottivat käyttöön uudenlaisen lähestymistavan nanomittakaavaisten materiaalien suunnitteluun ja kokoamiseen käyttämällä kolloidista kidetekniikkaa DNA:n kanssa. Tämä lähestymistapa tarjoaa tarkan hallinnan nanopartikkelien järjestelyyn, mikä mahdollistaa monimutkaisten hilarakenteiden luomisen.

Kehitetty suunnittelu antoi heille mahdollisuuden koota yksinkertaisia kuutiohiloja funktionalisoiduista nanopartikkeleista. Hilan kokoonpanon jälkeen kiderakenteet stabiloitiin hopeaioneilla.

"Nämä kokeet ja testit antoivat kattavat tiedot koottujen nanomittakaavan hilan mekaanisista ominaisuuksista, muodonmuutosmekanismeista ja rakenteellisista ominaisuuksista", Mirkin toteaa. "Tulokset ovat epäintuitiivisia ja osoittavat, kuinka voidaan luoda materiaaleja, joilla on eksoottisia ominaisuuksia yhdistämällä sopivia nanomittakaavan rakenneosia ja DNA-sekvenssejä.

Tutkijat havaitsivat, että vaikka kolme testattua hilaa suunniteltiin identtisillä kidesymmetrioilla, kussakin materiaalissa käytetyt hiukkasten rakennuspalikat - nanokehykset, nanokiinteät aineet ja nanohäkit - tuottivat erilaiset materiaalien jäykkyydet ja lujuudet. Nanokehyksistä luotu hila oli noin viisi kertaa vahvempi kuin nanokiinteistä ja nanohäkeistä tehdyt hila.

"Löydöksemme osoittavat kolloidisten kidetekniikan potentiaalin DNA:lla monipuolisena menetelmänä monenlaisten mekaanisten metamateriaalien luomiseen", Espinosa sanoi. "Näillä nanomittakaavaisilla metamateriaaleilla on vähentynyt herkkyys epätäydellisyyksille, mikä on ratkaiseva ominaisuus käytännön sovelluksissa."

"Tämän alan läpimurrot johtavat usein edistykseen kulutustuotteissa, elektroniikassa, kuljetuksissa, robotiikassa, ilmailussa ja lääketieteellisissä laitteissa", Espinosa sanoi. "Tämä tutkimus tasoittaa tietä vahvempien ja kevyempien materiaalien kehittämiseen, jotka voivat vaikuttaa moniin jokapäiväisiin teknologioihin."

Lokakuu 2023