Alors que les humains n'ont pas été en mesure de contrôler les particules de taille nanométrique jusqu'à tout récemment, les nanoparticules ont toujours existé. Ils sont présents dans les cendres volcaniques, comme les panaches qui ont explosé du mont St. Helens en 1980. © Gary Braasch/CORBIS Toute la semaine, vous avez rêvé d'une journée à la plage. Alors que vous vous enfilez dans un maillot de bain anti-UV, appliquer de la crème solaire, et prenez votre appareil photo et vos lunettes de soleil, la nanotechnologie est la dernière chose à laquelle vous pensez. Pourtant, cela fait partie de ce que vous portez, tenue et, dans une large mesure, utiliser dans votre vie quotidienne.
Nanotechnologie , qui est l'étude et la manipulation de la matière si petite qu'elle ne peut même pas être détectée avec un microscope à haute puissance, confère une protection UV à vos maillots de bain et à votre crème solaire, revêtement antireflet de l'objectif de votre appareil photo et résistance aux rayures de vos lunettes de soleil. Nanocristaux, un type de nanoparticule, sont utilisés dans des produits allant des sacs de maquillage et de rangement en plastique aux chaussettes résistantes aux odeurs et aux tests de grossesse à domicile. Et un jour, les nanocristaux pourraient alimenter votre voiture, objets autour de votre maison ou de l'immeuble de bureaux en bas de la rue.
La nanotechnologie est un domaine scientifique émergent riche en possibilités, mais cette matière ultra-microscopique n'a pas été créée dans les recoins sombres d'un laboratoire de savant fou. Les nanoparticules se produisent naturellement. On les trouve dans les embruns, cendres et fumées volcaniques [source :Science Daily]. Parfois, les nanocristaux font partie des sous-produits comme les gaz d'échappement des véhicules ou les fumées émises lors du soudage [source :Nano].
Les nanocristaux ont une taille de 1 à 100 nanomètres et sont mesurés à l'échelle nanométrique. Un nanomètre est un milliardième de mètre, qui est 1 million de fois plus petit qu'une fourmi. Alors, comment un nanocristal a-t-il pu devenir une puissante source de carburant ? Après tout, une feuille de papier moyenne mesure 100, 000 nanomètres d'épaisseur, ce qui en fait un énorme par comparaison [source :Nano].
La clé réside dans le comportement des nanocristaux. Particules de la plupart des tailles, peu importe de quoi ils sont faits, suivre un ensemble commun de règles scientifiques. C'est comme s'ils avaient été entraînés collectivement à garder leurs coudes à l'écart de la table du dîner proverbiale; il y a des attentes - confirmées par l'observation - sur la façon dont ces particules interagissent. Mais pas les nanocristaux.
Les nanocristaux sont volontaires, petites choses rebelles. Et c'est exactement pourquoi ils pourraient être la prochaine grande source de carburant [source :Boysen].
Comme pour la plupart des petites choses qui ne se comportent pas comme nous l'attendons, les nanocristaux posent des défis uniques. Prends de l'or, par exemple. Nous reconnaissons ce métal particulier pour sa couleur dorée caractéristique. Si tu cherchais de l'or, vous reconnaîtriez même une petite tache d'or à sa couleur. Réduisez cette tache à un nanomètre, bien que, et vous ne pourrez pas le reconnaître (même si vous pouviez voir un nanocristal). Il deviendra bleu-vert ou rouge parce que les nanocristaux, puisqu'ils sont si petits, sont presque entièrement superficiels. Ce plus grand rapport de surface permet aux nanocristaux métalliques d'absorber les couleurs au lieu de les réfléchir [source :Boysen].
Bien que ce petit fait puisse impressionner vos amis lors de fêtes, cette connaissance - que les nanocristaux suivent des règles différentes de celles des autres matières - pourrait également avoir un impact sur les sources de carburant du monde. Non seulement les nanocristaux peuvent-ils prendre des qualités différentes de celles des particules plus grosses du même matériau, mais ils réagissent différemment avec d'autres éléments. Plus la particule est petite, plus il a d'atomes à la surface; plus il y a d'atomes à la surface, plus la surface est grande et plus la capacité d'interaction avec d'autres éléments est grande.
Pensez-y comme ceci :vous nagez dans un cylindre d'eau qui est profond mais pas large. Vous pouvez toucher les bords du cylindre en étirant simplement vos bras et vos jambes comme une étoile de mer. Ensuite, vous décidez de faire des longueurs dans une piscine peu profonde de la taille d'un terrain de basket. Toutes choses étant égales, vous entrerez en contact avec une plus grande partie de la surface de l'eau si vous pagayez autour de la piscine peu profonde que flottez dans la piscine cylindrique profonde. C'est ainsi que fonctionnent les nanocristaux, trop. Leurs nombreuses petites particules ont plus de surfaces exposées à d'autres produits chimiques ou éléments, ce qui peut conduire à une plus grande vitesse de réaction chimique
Cette surface plus importante fait des nanocristaux de bons catalyseurs, ou des substances qui permettent des réactions chimiques. Lorsqu'ils sont utilisés comme catalyseurs, les nanocristaux peuvent augmenter la vitesse d'une réaction chimique sans subir eux-mêmes de changements. Cela signifie que les nanocristaux peuvent convertir les matières premières en carburant à des températures plus basses que les autres catalyseurs. Inversement, les nanocristaux permettent de brûler plus de carburant à une température plus basse.
La nanotechnologie pourrait rendre la technologie existante des carburants alternatifs plus viable. Par exemple, le maïs est transformé en éthanol, un combustible alternatif non fossile. Mais au moment où le maïs germe et est irrigué, récolté, transporté puis transformé en éthanol, le procédé n'est pas particulièrement économique ou énergétiquement efficace. En utilisant des nanocristaux comme catalyseur, une armée d'enzymes pourrait se nourrir efficacement et rapidement de déchets comme des copeaux de bois ou de l'herbe et les convertir en éthanol [source :Understanding Nano].
Il y a juste un problème, bien que. Nanoparticules, tout en étant d'origine naturelle, sont plus difficiles à fabriquer à dessein. Les chercheurs n'ont pas tout à fait trouvé un moyen d'exploiter les nanoparticules, encore moins les produire en masse. Quand ils le font, nous pourrions avoir un renouvelable, source d'énergie efficace et peu coûteuse - une source d'énergie qui pourrait potentiellement entraîner une baisse des factures d'énergie et des véhicules avec un kilométrage plus important.
Qui a inventé l'expression ?En 1986, un ingénieur américain nommé K. Eric Drexler a écrit "Engines of Creation" et a introduit le terme nanotechnologie. Il était à l'avant-garde d'un domaine d'études scientifiques en plein essor qui a captivé l'imagination des inventeurs et des industries. D'ici 2013, il y en avait plus de 40, 000 brevets avec le mot « nano » déposés auprès du U.S. Patent Office [source :U.S. Patent and Trademark Office].
Allumez une lampe de poche et vous êtes témoin d'une pile à combustible au travail. Dans sa forme la plus basique, une pile à combustible est une source d'énergie qui utilise une réaction chimique pour produire un courant électrique. La batterie à l'intérieur de la lampe de poche est une pile à combustible qui confine ses produits chimiques dans un petit emballage bien rangé. Une fois que les produits chimiques s'usent et ne peuvent plus réagir les uns avec les autres, la batterie peut être rechargée ou jetée.
Il existe un autre type de pile à combustible qui repose sur l'apport d'éléments externes. Au lieu d'avoir tous ses éléments enfermés, une pile à combustible à hydrogène, par exemple, a besoin d'accéder à des éléments périphériques comme l'hydrogène et l'oxygène pour produire de l'électricité [source :CAFCP]. Et c'est là qu'intervient la nanotechnologie. L'application de la nanotechnologie pourrait rendre les piles à combustible à hydrogène plus efficaces et moins coûteuses à produire; cela pourrait entraîner une baisse des prix des véhicules alimentés par ce type d'énergie alternative, ainsi que la production de piles à combustible qui nécessitent moins d'énergie pour fonctionner.
Avec des nanocristaux en jeu, les coûts de fabrication des piles à combustible pourraient également baisser. Traditionnellement, Les piles à combustible à hydrogène utilisent le platine comme catalyseur pour convertir les éléments externes en énergie. Le platine est relativement rare et extrait grâce à une exploitation minière à forte intensité énergétique. En utilisant des nanocristaux de platine, cela réduit considérablement la quantité de platine coûteux nécessaire pour faire fonctionner une pile à combustible. Dans certains cas, des nanocristaux de matériaux moins coûteux comme le cobalt peuvent être utilisés pour contourner complètement le besoin de platine [source :Understanding Nano].
Les nanocristaux pourraient changer le matériau utilisé pour construire les piles à combustible, trop. La plupart des piles à combustible utilisent du liquide pour connecter les électrodes car le liquide est un meilleur conducteur qu'un matériau solide. Mais en infusant des matériaux solides avec des nanocristaux, les matériaux eux-mêmes deviennent plus propices, éliminant le besoin d'un conducteur liquide, ce qui conduit à un gain de place, conductivité accrue et piles à combustible plus petites [source :Science Daily]. À la fin, la technologie utilisant certaines des plus petites particules du monde pourrait conduire à la prochaine grande source de carburant - ou du moins à un moyen plus efficace d'utiliser les sources de carburant que nous avons déjà.
Récolte de l'hydrogèneL'hydrogène est l'un des éléments les plus abondants sur Terre. Il peut être extrait de l'eau et n'a pas besoin d'être fabriqué comme les autres carburants. Lorsqu'il est utilisé comme combustible, la vapeur d'eau est le seul sous-produit. Aujourd'hui, les chercheurs sont sur la piste d'une nouvelle façon d'extraire l'hydrogène de l'eau. En utilisant uniquement la lumière du soleil et un catalyseur de nanocristal de nickel peu coûteux, ils peuvent produire de l'hydrogène carburant pendant plusieurs semaines avant que le processus ne commence à ralentir [source :Dume].
Imaginer deux piscines est un excellent moyen de visualiser les différences structurelles des nanoparticules. Votre bassin de plongée étroit peut être profond, ou même contenir un plus grand volume d'eau, mais sa surface est beaucoup plus petite que la large, piscine peu profonde. Nanoparticules, trop, sont laissés avec beaucoup de surface exposée, ce qui peut conduire à une plus grande vitesse de réaction chimique. Au moins, c'est ce à quoi je penserai la prochaine fois que je passerai un après-midi farniente à la piscine.
