supermaterialer bloghoved

Nanojulekalender 3: ekstrem kemi med lyd

Den 3. låge i nanokalenderen er dedikeret lyd, som mange nyder (og andre ikke!) når vi går rundt om juletræet i form af julesange. Det kan godt lyde voldsomt. Når operasangeren når det høje C, så springer glasset (i al fald i tegneserier) - og når man øger frekvensen til ultralyd-frekvenser - megahertz sker der for alvor noget. Ultralyd (lyd omkring <3 MHz) er fantastisk praktisk - man kan tage billeder af fostre og finde strukturelle fejl i materialer, men også findele, ødelægge, omforme materialer og accelerere kemiske processer.

Som wikipedia siger: "Ultrasound is used in many different fields. Ultrasonic devices are used to detect objects and measure distances. Ultrasound imaging or sonography is often used in medicine. In the nondestructive testing of products and structures, ultrasound is used to detect invisible flaws. Industrially, ultrasound is used for cleaning, mixing, and accelerating chemical processes. Animals such as bats and porpoises use ultrasound for locating prey and obstacles."

Men hvorfor ikke skrue frekvensen endnu højere op? I området helt op til gigahertz (10 i niende svingninger per sekund) kan man krystallisere og ordne nanomaterialer, lave dybe indgreb i materialeegenskaberne og lave helt nye former for kemi. Hvad kalder man så frekvensområdet der er op til 300 gange højere? Hypersound? Gigasound? Ultraultrasound?

Når vi taler om sono-kemi - dvs kemi der induceres af højfrekvente lydsignaler - er processen man kalder "cavitation" - lydbølgerne får mikroskopiske luftbobler til at vokse indtil de kollapser (imploderer), hvilket skaber en chokbølge, med ekstreme tryk (højere end 10000 bar) og temperaturer til følge (i meget små områder). Disse ekstreme tilstande kan få kemiske processer til at ske, der ikke sker (eller sker meget langsomt) under mere almindelige betingelser. Det kan bruges til nedbrydning af vand (til brint og ilt), og meget andet nyttigt.

Illustration: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001983

Ved de langt højere frekvenser - gigahertz - man undersøger nu, opstår disse bobler ikke --- men der sker alligevel ting og sager. Fraværet af de små boble-bomber, gør at høj-frekvens ultralyd bedre kan bruges uden at smadre proteiner og celler. Forskerne fra RMIT så helt andre fænomener ved de høje frekvenser, som for eksempel at molekyler ordner sig i krystaller når de udsættes for lyd, og kan skabe helt nye materialer - også selvom bølgelængden af lydbølgerne er 100000 gange større end molekylernes størrelse. Forskerne har netop samlet deres tanker, ideer og erfaringer i en overbliks artikel om emnet, og her er der nogle ret spændende ting på menuen:

  • fremstilling af nanoskopiske luftbårne medicinpartikler der kan inhaleres istedet for injiceres - dette kunne måske være aktuelt for vacciner!
  • indpakning og beskyttelse af nanomedicin, så de bedre holder til det skrappe miljø i kroppen og kan virke over længere tid
  • smarte materialer som for eksempel nanoporøse nanomaterialer
  • bæredygtig syntese og fabrikation af 2D materialer (som er et af mine yndlingsemner)
Illustration: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001983

I de to paneler vises hvad der sker når man (venstre kolonne) bare lader krystaller af salt og glycine dannes ved normale omstændigheder (fordampning af opløsningsmiddel), og ved forskellige koncentrationer. Midterkolonnen viser hvordan det ser ud når man tilsætter ultralyd. Til højre ses resultaterne når man også tilfører en fluorescerende polymer coating ved en såkaldt "nebuliseringsproces".

Så - det vil jeg bestemt følge nærmere. Jeg synes at lyd og lydbølger er meget spændende (er selv amatørmusiker og musik elsker), og kunne godt tænke mig selv at få lov at lege med de ultrahøje frekvenser i vores laboratorium! Vi bruger allerede ultralyd til mangt og meget, men oftest til at rense overflader for polymerer og andet skidt. Det "lyder som om" at man kan bruge til mange flere interessante ting - for eksempel viser forskerne Melbourne at man kan splitte lagdelte materialer ad i enkelte, 2D atomlag med de høje frekvenser.

Du kan læse mere om ultra-jule-syngeriet her på ScienceDaily (https://www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201124101029.htm) eller måske ligefrem gå i krig med original artiklen, der såvidt jeg kan se kan læses gratis (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001983.

Peter Bøggild er professor i nanoteknologi på DTU. På bloggen Supermaterialer skriver han om stort, småt og tusind gange mindre.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten