Scheikunde

Exploderende buckybom. Bron: ACS.

Nanobom ontwikkeld

2 reacties / Scheikunde, Techniek / Door / 6 maart 2015

Explosieven op nanoschaal kunnen erg handig zijn voor het betere sloopwerk. Met de ontwikkeling van de eerste nanobom ooit, de buckybom die lokaal temperaturen boven de 4000 graden kan bereiken, denken onderzoekers een doorbraak te hebben bereikt.

Exploderende buckybom. Bron: ACS.
Exploderende buckybom. Bron: ACS.

De eerste complexe koolstof ooit ontdekt is buckminsterfullereen, een voetbal van zestig koolstofatomen. Dit werd later gevolgd door koolstofnanobuisjes en grafeen, waar op dit moment de bulk van de wetenschappelijke interesse heen gaat. Toch blijken ook de eens zo gehypete en nu wat in de vergetelheid geraakte ‘buckyballen’ toch nog de nodige interessante mogelijkheden te bieden.

Onderzoekers koppelden in een simulatieprogramma aan een buckybal twaalf nitrogroepen (NO2–) Deze nitrogroepen zijn zeer explosief: als ze uiteenvallen, komen er zuurstofatomen beschikbaar om met bijvoorbeeld koolstof te reageren. Deze chemische reactie gaat razendsnel. Dat is ook de reden dat in stikstofhoudende explosieven zoals nitroglycerine en nitrocellulose, veel nitrogroepen worden aangekoppeld en de AIVD een buitengewone interesse heeft in lieden, die salpeterzuur proberen te bestellen.

In de simulatie begonnen de onderzoekers met een intacte buckybom. Voor de liefhebbers: dodecanitrofullereen, C60(NO2)12. Toen de temperatuur in de simulatie werd verhoogd tot rond de 1000 kelvin (727 graden Celsius), begonnen de nitrogroepen in een picoseconde (biljoenste, 10-12, seconde) hun zuurstofatomen over te dragen aan de ‘voetbal’. Dit zet een explosieve reactie in gang, waarbij de ‘voetbal’ uiteenvalt in een groot aantal di-koolstofmoleculen (C2). Wat overblijft is een extreem heet gasmengsel, bestaande uit CO2, NO2 en N2, met C2.

In de eerste picoseconde loopt de temperatuur al op van 1000 tot 2500 kelvin. De vervolgreacties, in de 50 picoseconden daarna, laten de temperaturen oplopen tot maar liefst 4000 graden. Bij deze hoge temperaturen loopt, afhankelijk van de dichtheid van het nanoexplosief, de druk op tot meer dan 1,2 gigapascal, meer dan tienduizend maal de aardse luchtdruk.

Chemisch gesproken komt de enorme energie van de grote hoeveelheid opgeslagen bindingsenergie in de koolstof-koolstofverbindingen in de ‘voetbal’. Omdat de nitrogroepen de reactie in gang zetten, betekent meer nitrogroepen, meer explosieve energie. De explosiesterkte is te bepalen door de concentratie te veranderen.

Deze nanobom is nuttig als nieuw bulk-explosief materiaal, maar mogelijk ook voor kleine schaal nanoengineering. De bereikte temperaturen zijn hoog genoeg om zelfs wolfraam te laten smelten. Wellicht kan het ook gebruikt worden om zonder lasapparaat of ander bruut middel dunne platen metaal te snijden.

Bron: 
Vitaly V. Chaban, et al. “Buckybomb: Reactive Molecular Dynamics Simulation.” The Journal of Physical Chemistry Letters. DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b00120

De bijzondere structuur van acrylonitril maakt de azotosomen (d) de waarschijnlijkste vorm. Bron: artikel.

‘Levensvorm in vloeibaar methaan in theorie mogelijk’

2 reacties / biologie, Scheikunde, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 2 maart 2015

Alle leven op aarde is gebaseerd op water. Met de ontdekking van methaanzeeën op Titan, en een mysterieus chemisch verschijnsel, ontstond het vermoeden dat er mogelijk leven op Titan is. In een computersimulatie ontwikkelden onderzoekers een model voor de celwand van een niet-watergebaseerde levensvorm, die het op Titan uit zou kunnen houden.

Mysterieus proces ‘eet’ etheen en waterstof: leven?
De grootste maan van Saturnus, Titan, is bedekt met meren van vloeibaar methaan en ethaan, het voornaamste bestanddeel van aardgas. Ultraviolette straling van de verre zon breekt voortdurend ethaan af tot etheen en waterstof. Een onbekend proces op het oppervlak zorgt ervoor dat waterstof en etheen uit de atmosfeer verdwijnen en zich niet aan de oppervlakte ophopen. Titan is extreem koud: rond de -180 graden Celsius. Dit is veel te koud voor de reactie van etheen met waterstof. Sommige onderzoekers denken daarom, dat een nog onbekende levensvorm deze reactie uitvoert. Nu is er een probleem. Alle aardse levensvormen, en dus alle levensvormen die we kennen, gebruiken water als oplos- en transportmiddel. De celmembranen die aardse levende cellen omringen, verstenen in vloeibaar methaan. Is er een ander type celmembraan denkbaar, dat wél blijft functioneren in de cryogene omstandigheden op Titan?

De bijzondere structuur van acrylonitril maakt de azotosomen (d) de waarschijnlijkste vorm. Bron: artikel.
De bijzondere structuur van acrylonitril maakt de azotosomen (d) de waarschijnlijkste vorm. Bron: artikel.

Celmembraan van giftige stof
Drie onderzoekers hebben nu aangetoond, dat het antwoord op deze vraag ja is. In een computersimulatie gingen ze uit van verschillende stoffen, waarvan bekend is dat deze veel op Titan voorkomen. De beste resultaten gaf acrylonitril, een klein, erg giftig molecuul dat onder meer voorkomt in superlijm. Aardse celmembranen bestaan uit twee lagen fosfolipiden (vetten): een buitenste laag en een binnenste laag. De lange waterafstotende staarten van deze vetmoleculen staan naar elkaar toegekeerd, waarmee ze de waterige omgeving binnen de cel afschermen van het water buiten. Acrylonitril (en meerdere andere geteste moleculen) vormt, zo toonden de onderzoekers aan, een eenvoudige celwand van slechts een molecuul dik. Deze structuren doopten de onderzoekers “azotosomen”, van het Franse woord ‘azote’ voor stikstof, en het Griekse ‘soma’ voor lichaam. Dit omdat de geteste moleculen alle stikstof bevatten. Acrylonitril vormt bij voorkeur azotosomen en is hiermee de geschiktste kandidaat. De gevonden azotosomen hadden volgens de onderzoekers een diameter van 90 Angström (9 nm). Vermoedelijk is dit een fout in het artikel: 90 nanometer is een zinniger waarde en ook de grootte van de kleinste virussen, waar de onderzoekers hun vondst mee vergelijken. Zie plaatje.

Kunnen azotosomen werkelijk bestaan?
Uit de computersimulatie van de onderzoekers blijkt duidelijk dat stabiele celwanden in vloeibaar methaan mogelijk zijn. Uiteraard moeten deze structuren naar goed wetenschappelijk gebruik nog in het echt worden nagebouwd. Ook is een celwand op niet genoeg, deze moet ook levende inhoud hebben. Het bronartikel stelt dat in een methaan-stikstofgasmengsel, zoals de atmosfeer van Titan, zich vrij gemakkelijk de bouwstenen voor RNA vormen, het ‘voorouder-molecuul’ van leven. Zeer eenvoudige levensvormen zouden zich goed kunnen vestigen in de azotosomen. Een bacterie-ribosoom bijvoorbeeld, vermoedelijk de voorouder van eencellig leven, is ongeveer 20 nanometer groot en past dus ruim in de 90 nanometer grote structuren. Hoe zouden levensprocessen er uitzien onder de 100 kelvin, en in vloeibaar methaan in plaats van water? Is er wel überhaupt een biochemie, zelfs een volkomen onaardse biochemie, mogelijk bij deze ijzige temperaturen? Een vraag waar we nu iets gerichter antwoord op kunnen vinden.

Bron
1. James Stevenson, Jonathan Lunine, Paulette Clancy, Membrane alternatives in worlds without oxygen: Creation of an azotosome, Science Advances, 2015

TED-Video: De route tussen leven en niet-leven

5 reacties / Filosofie, Ideeën, Scheikunde, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 21 februari 2014

De grenzen tussen leven en niet-leven waren tot ver in de twintigste eeuw duidelijk. Nu is dat anders. Projecten als OpenWorm en kunstmatige cellen vertonen gedrag als levende organismen. Ook hedendaagse techniek lijkt steeds meer weg te hebben van levende organismen door de snel toenemende mogelijkheden en complexiteit. Waar ligt de grens tussen levend en dood?

Volgens denkers in het veld, zoals Martin Hanczyk die deze TED-lezing verzorgt, moet er iets als auto-assemblage plaats hebben gevonden. Hij slaagde er inderdaad al in cel-achtige structuren te produceren, uitgaande van ‘dode’  chemicaliën. Deze vertonen enkele gedragingen die griezelig veel overeenkomen met die van levende organismen zoals bacteriën. Kunnen we met deze inzichten kunstmatig leven scheppen en leven-achtige eigenschappen aan onze techniek geven?

Zal perovskiet-gebaseerd materiaal voor zonnecellen de mensheid eindelijk verlossen van de wurggreep van fossiel?

Onderzoekers bereiken grote doorbraak zonne-energie

7 reacties / natuurkunde, Scheikunde, Wedstrijd / Door / 21 oktober 2013

Zonnepanelen die per watt maar een vijfde kosten van de huidige generatie, maar wel met een bijna even hoog rendement worden spoedig mogelijk. Dat meldt het wetenschappelijke tijdschrift Science, op basis van onderzoek van de vooraanstaande Nanyang Technical University in Singapore. Wordt zonne-energie straks zo goedkoop dat we het niet eens meer hoeven op te slaan?

Vijf maal goedkoper per watt
De volgende generatie zonnecellen, gemaakt van anorganisch/organische hybride perovskiet-gebaseerde materialen, is ongeveer vijfmaal goedkoper dan de huidige dunne film zonnecellen door een eenvoudiger, op een oplossing gebaseerd productieproces. Van perovskiet, een in de natuur hun veelvoorkomend mineraal, was al eerder bekend dat het opmerkelijk geschikt is om zonnecellen van te bouwen: tot 15% van het zonlicht wordt in elektriciteit geconverteerd. Dit ligt dicht in de buurt van de efficiëntie van de meest verkochte commerciële zonnepanelen, rond de 17%.  Onderzoekers wisten tot nu toe niet waarom.

Zal perovskiet-gebaseerd materiaal voor zonnecellen de mensheid eindelijk verlossen van de wurggreep van fossiel?
Zal perovskiet-gebaseerd materiaal voor zonnecellen de mensheid eindelijk verlossen van de wurggreep van fossiel? Bron: Wikimedia Commons

Daarom is perovskiet zo efficiënt
In het nieuwe onderzoek, door acht onderzoekers van de NTU in samenwerking met Michael Grätzel (bekend van zijn op fotosynthese-achtige processen gebaseerde zonnecellen), is nu ontdekt wat perovskiet zo efficiënt maakt. Op dit moment wordt deze nieuwe kennis toegepast door het Energy Research Institute @ NTU die een commercieel prototype van de perovskiet zonnecel ontwikkeld in samenwerking met het Australische bedrijf Dyesol Limited. Bij het onderzoek werd gebruik gemaakt van uiterst nauwkeurige apparatuur, waaronder een femtosecondelaser die het gedrag van elektronen en materie op femtoschaal uiterst nauwkeurig kon vastleggen. De groep ontdekte dat in perovskietmaterialen de elektronen, die los worden geslagen door de fotonen in zonlicht, veel verder kunnen reizen dan in andere materialen. Daardoor kan de perovskietlaag dikker worden, immers de elektronen kunnen verder reizen naar de elektronvangende metalen geleider. omdat de laag dikker kan zijn, wordt meer licht geabsorbeerd en produceert de zonnecel meer elektriciteit. De onderzoekers pasten een simpel productieproces toe, gebaseerd op het indrogen van een oplossing.

Bestaande zonnecellen overtroffen
Nu precies bekend is hoe perovskietmaterialen zich gedragen en wat het werkingsprincipe is, zijn technici in staat om het gedrag van de nieuwe zonnecellen af te strellen en de efficiëntie zo te verbeteren. Een van de leden van het team, Matthews, denkt dat uiteindelijk zelfs de performance van dunne-cel zonnepanelen geëvenaard en overtroffen kan worden met tot 20% efficiëntie. â€œThe excellent properties of these materials, allow us to make light weight, flexible solar cells on plastic using cheap processes without sacrificing the good sunlight conversion efficiency.” in zijn woorden.

Bronnen
1. NTU scientists make breakthrough solar technology, NTU Press Release, 2013
2. Nripal Mathews, Grätzel et al., Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3, Science (2013)

Carbyn, een rechte keten van koolstofatomen met meerdere bindingen, is volgens een zeer nauwkeurig computermodel de sterkste vezel ooit.

Sterkste materiaal ooit voorspeld

6 reacties / Scheikunde, Wetenschap / Door / 12 oktober 2013

Volgens theoretische berekeningen is er een uit koolstof bestaand materiaal, carbyn, denkbaar dat zeker tweemaal zo sterk is dan zelfs de bekende koolstofnanobuisjes en grafeen. Kunnen we met dit materiaal eindelijk een ruimtelift bouwen?

Wat is carbyn?
Carbyn is de chemische naam van een ketting van koolstofatomen, die onderling met dubbele verbindingen of afgewisseld enkele en drievoudige verbindingen verbonden zijn (in feite bevindt de werkelijke toestand zich hier, onbepaald, tussenin – welkom in de wondere wereld van de kwantummechanica). Carbyn is hiermee echt een eendimensionaal materiaal. Als iemand er ooit in zal slagen om carbyn in bulk te bereiden, dan ontstaat er een materiaal dat mogelijk zelfs het sterkst denkbare materiaal ooit is. De reden: alle koolstofverbindingen lopen parallel met de trekkracht. Het materiaal kan onder spanning niet van vorm veranderen, alleen uitrekken. Hiervoor is theoretisch de maximale kracht nodig die de chemische binding tussen koolstofatomen kan leveren. Dat is dubbel zoveel als het sterkste materiaal tot nu toe bekend en zelfs drie keer zo veel als diamant.

Onverwachte eigenschappen
Het materiaal kent nog andere interessante eigenschappen. Zo veranderen de elektronische eigenschappen al als het materiaal 10% uitgetrokken wordt. Wordt de ketting 90 graden gedraaid, dan ontstaat een magnetische halfgeleider. Aan de carbynketens kunnen ook andere moleculen worden gekoppeld, waardoor het gebruikt kan worden om energie op te slaan. Carbynketens zijn stabiel bij kamertemperatuur en vormen niet snel verbindingen met andere ketens. Dit is een interessante combinatie van eigenschappen, aldus de ontdekker Boris Yacobson. Naast in kabels voor ruimteliften, kunnen de carbynketens gebruikt worden in nanomechanische systemen (als bijvoorbeeld een extreem sterk eenatomig trekkoord), in sterke lichtere materialen en voor energie-opslag. In een vliegwiel van carbyn kan drie keer zoveel energie worden opgeslagen als in een vliegwiel van diamant met dezelfde vorm.

Carbyn, een rechte keten van koolstofatomen met meerdere bindingen, is volgens een zeer nauwkeurig computermodel de sterkste vezel ooit.
Carbyn, een rechte keten van koolstofatomen met meerdere bindingen, is volgens een zeer nauwkeurig computermodel de sterkste vezel ooit.

Bestaat carbyn al?
Ethyn (HCCH), een driedubbele binding tussen twee koolstofatomen met aan de uiteinden elk een waterstofatoom, is al meer dan 100 jaar bekend onder de naam acetyleen en wordt bij autogeen lassen gebruikt om extreem hete vlammen mee te produceren. Het is veel lastiger om langere alkynen te produceren. Een materiaal dat op carbyn lijkt, werd voor het eerst geproduceerd in de USSR in 1960. Sindsdien hebben experimenteel chemici het materiaal in kleine hoeveelheden geproduceerd, is het aangetroffen in samengeperst grafiet en ook aangetroffen in sterrenstof. Er is dus sprake van een fysisch mogelijke en ook bestaande stof. Het enige wat ons ontbreekt is een methode om deze stof grootschalig en voordelig te produceren.

Welke methode gebruikten de onderzoekers?
Kwantummechanica wordt door veel mensen gezien als een ondoorgrondelijke theorie. Inderdaad is kwantummechanica met gezond verstand moeilijk te bevatten, maar onze theorieën zijn als rekenmodel ondertussen zo goed, dat met computermodellen een nauwkeurigheid tot op 13 decimalen kan worden bereikt. Althans: deze nauwkeurigheid geldt voor kwantumelektrodynamica (QED), de QD-variant die onder meer de volledige scheikunde beschrijft. Met andere woorden: zet je een supercomputer aan het werk die de beruchte perturbaties van QED tot het gewenste nauwkeurigheidsniveau aankan, dan kan je het gedrag van atoombindingen tot op dertien decimalen precies voorspellen. Dit is wat Yakobson en zijn mensen hebben gedaan. Omdat computers in de 21e eeuw onvergelijkbaar veel beter zijn dan die in de periode dat het meest onderzoek naar de cabine heeft plaatsgevonden, haalde het team-Yacobson enkele theoretische voorspellingen onderuit. Ze werden op het  spoor gezet, omdat er in de vrije natuur sporen carbyn  zijn  aangetroffen, iets dat onmogelijk was volgens deze eerdere theorie.

Onverwachte nieuwe eigenschappen
Zo voorspelde eerder onderzoek dat carbyn uit elkaar zal vallen, omdat het met zichzelf zou gaan regeren. Inderdaad blijkt met het nieuwe zeer nauwkeurige model dat carbyn slechts op één plek in de keten een andere keten dicht kan raken. De stijfheid van de keten belemmert dat de ketens elkaar op twee plekken tegelijk kunnen raken en dat ze zo aan elkaar geritst worden. In feite is wat zich dan vormt een soort poreus net, met een 5 keer zo groot specifiek oppervlak als het alom bejubelde grafeen.
Onverwacht was de ontdekking dat de elektron-barrière zo gevoelig was voor draaien. Er ontstaat zo een soort mechanisch te bedienen transistor. Erg handig voor schakelingen in nanomachientjes.

Het vervolg
Het team wil meer onderzoek doen naar andere elementen. Je zou dan bijvoorbeeld kunnen denken aan verbindingen met boor, in het periodiek systeem de lichtere buurman van koolstof, of andere elementen die eendimensionale structuren kunnen vormen. Ook wil de groep de geleidbaarheid van carbyn beter onderzoeken.

Bron
B.I.Yacobson et al., Carbyne from first principles: Chain of C atoms, a nanorod or a nanorope?, ArXiv preprint server (2013) Peer-reviewed (paywall)

Video: meter verspringende kristallen

6 reacties / natuurkunde, Scheikunde, Techniek, Wetenschap / Door / 8 augustus 2013

De kristallen in de video hieronder springen afstanden tot duizend maal hun lengte. De energiebron: UV-licht. Hebben we nu eindelijk een geschikte motor voor nanomachientjes gevonden? Een aantal onderzoekers van New York University denkt van wel.

Een van de grootste hinderpalen voor de doorbraak van actieve nanotechnologie is het gecompliceerde vraagstuk van de voortbeweging en aansturing van nanomachines. Ontwerpen die in het dagelijkse leven goed werken, functioneren op nanoschaal vaak niet meer. Onder meer omdat kwantumeffecten roet in het eten gooien en de materiaaleigenschappen op zeer kleine schaal sterk veranderen. Dit geldt onder meer voor elektromotoren, die de krachtbron vormen van de meeste apparaten op menselijke schaal.

Pance Naumov van New York State University, vestiging Abu Dhabi, ontdekte in 2010 dat licht op bepaalde kristallen merkwaardige effecten had. Kristallen van een bepaald groen fluorescerend eiwit bogen onder de invloed van zwakke belichting meer dan negentig graden. Hij besloot er met zijn collega’s in te duiken. Kristallen met Co(NH3)5(NO2)]Cl(NO3), een complex zout bestaande uit kobalt-, ammonium-, nitriet-, chloride- en nitraationen, bleken nog veel feller op licht te reageren.  Het effect lijkt veroorzaakt te worden doordat UV-licht verstoringen in de kristallen aanbrengt, die zich ophopen en op een gegeven moment explosief ontladen. Een sterke stralingsintensiteit laat de kristallen al binnen enkele seconden springen, bij een zwakke UV-belichting duurt dit rond de 20 seconden. Bij sommige kristallen leidt dit zelfs tot het uiteenspatten. De onderzoekers verwachten dat dit mechanisme gebruikt kan worden om zeer kleine machines mee aan te drijven. Met andere woorden: ze kunnen werken als een kunstmatige spier.

Bron
Dynamic Single Crystals: Kinematic Analysis of Photoinduced Crystal Jumping (The Photosalient Effect), Angewandte Chemie (2013)m DOI: 10.1002

De Perseus moleculaire wolk op ongeveer 600 lichtjaar afstand bevat een gas dat helemaal niet kan bestaan volgens gangbare chemische theorie. Bron: Universiteit van Wisconsin

‘Voorgangers leven ontstonden in extreme kou’

23 reacties / Scheikunde, Universum, Wetenschap / Door / 1 juli 2013

Vlak bij het absolute nulpunt begint het te spoken. Bizarre chemische reacties die volgens gevestigde chermische theorieen theoretisch onmogelijk zijn, vinden plaats in de diepten van de interstellaire ruimte. Het begint tot steeds meer astrofysici door te dringen dat de ‘doodse’ ruimte rond het absolute nulpunt heel wat uitermate interessante processen herbergt.

De Perseus moleculaire wolk op ongeveer 600 lichtjaar afstand bevat een gas dat helemaal niet kan bestaan volgens gangbare chemische theorie. Bron: Universiteit van Wisconsin
De Perseus moleculaire wolk op ongeveer 600 lichtjaar afstand bevat een gas dat helemaal niet kan bestaan volgens gangbare chemische theorie. Bron: Universiteit van Wisconsin

Moleculen die niet kunnen bestaan
Hoe lager de temperatuur, hoe langzamer reacties verlopen. De reden is dat de bewegingssnelheid van moleculen bij lagere temperatuur afneemt, waardoor ze onvoldoende energie hebben om andere moleculen te breken -absoluut noodzakelijk om een reactie te starten-en ook, dat er veel minder botsingen plaatsvinden.

Zou deze theorie kloppen, dan zou de interstellaire ruimte alleen eenvoudige moleculen zoals waterstof of water moeten bevatten. Ondertussen weten we echter uit meer dan drie decennia radioastronomie dat er in de interstellaire ruimte enorme hoeveelheden ingewikkelde moleculen voorkomen. Denk aan allerlei aminozuren, buckyballen en dergelijke. Onmogelijk, volgens gevestigde chemische theorieen. Toch zijn de spectrografische ‘handtekeningen’ van deze moleculen, specifieke golflengtes waarop deze uitzenden en absorberen, onweerlegbaar in radiogolven aangetoond. Het laatste voorbeeld:  methoxy-radicalen, H3C-O. Deze bleken voor te komen in een nevel op 600 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Perseus.

Kwantumtunneling
Dit zette astrochemici aan het denken. Zagen ze wellicht iets over het hoofd? Uit nieuw onderzoek blijkt nu inderdaad, dat de chemie van lage temperaturen veel interessanter is dan we hadden durven vermoeden. Pogingen om de reactie die methoxy produceert plaats te laten vinden door de uitgangsstoffen te laten condenseren op stofdeeltjes, mislukten hopeloos.

Toen ondernamen chemici een nieuwe poging, door gebruik te maken van kwantumtunneling. Een andere reactieroute maakt gebruik van een hydroxylradicaal,OH.: CH4 + OH. -> H3CO. +H2 (de punt achter OH. en H3CO. geeft aan dat het om incomplete moleculen (radicalen) gaat).

Om deze reactie plaats te laten vinden moet kwantumtunneling plaatsvinden, waardoor het methaanmolecuul en het hydroxylradicaal zich op een gegeven moment op dezelfde plaats bevinden. Inderdaad bleek zich wel methoxy te vormen als de temperatuur verlaagd werd tot 63 kelvin (-210 C). De reactie vond zelfs 50 maal sneller plaats dan bij 200 kelvin (de temperatuur hartje winter op Antarctica of in de koudepool van Siberie).

Hoe werkt kwantumtunneling?
Een ijzeren natuurkundige wet is de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Deze levert enkele onzekerheidsparen op, bijvoorbeeld: hoe nauwkeuriger de snelheid bekend is, hoe onnauwkeuriger de plaats bekend is. (Er zijn er meer, zoals massa en tijd bij virtuele deeltjes). Van een stilstaand deeltje is de snelheid zeer nauwkeurig bekend, die is namelijk precies nul. Dus moet de plaats zeer onnauwkeurig zijn, m.a.w. het deeltje heeft veel weg van een wazige wolk. Deze wolk kan door energiebarrieres heenlekken, ’tunnelen’. In het gevalvan de chemische reactie in dit artikel: de elektrostatische afstoting tussen moleculen.

Wat houdt zich schuil out there?
Duidelijk is in ieder geval dat ook bij cryonische temperaturen opmerkelijk interessante chemische processen voorkomen. De kans is zelfs aanwezig dat zich complexe structuren kunnen gaan vormen. Cryonisch leven lijkt vergezocht, maar is niet op voorhand uit te sluiten. Wellicht kan kwantumtunneling de functie overnemen van enzymen.

Bron
R.J.Shannon et al., Accelerated chemistry in the reaction between the hydroxyl radical and methanol at interstellar temperatures facilitated by tunneling, Nature Chemistry (2013)

Eiland van stabiliteit

Voorbij Element 118…

5 reacties / Analyses, Scheikunde / Door / 21 februari 2013

De afgelopen maanden zijn door medevisionair Douwe alle atoomelementen behandeld, vanaf het allerlichtste element, waterstof, tot het zeer instabiele ununoctium, dat slechts fracties van seconden bestaat. Is het in theorie mogelijk dat er nóg zwaardere atoomelementen bestaan?

Eiland van stabiliteit
Eiland van stabiliteit

Twee tegengestelde natuurkrachten
Atoomkernen bestaan uit positief geladen protonen en ongeladen neutronen. Atoomkernen zoals wij die kennen, met uitzondering van de kern van waterstof-1 die uit slechts één deeltje bestaat, zijn het resultaat van twee natuurkrachten: een restje van de sterke kernkracht, die uit protonen en neutronen ‘lekt’ en deze kerndeeltjes uit elkaar houdt, en de elektromagnetische kracht, die protonen elkaar laat afstoten. De derde natuurkracht is de zwakke kernkracht, die maakt dat neutronen uiteenvallen in protonen en elektronen. In een atoomkern  met relatief veel neutronen  is het energiegunstiger voor een neutron om uiteen te vallen, dan om intact te blijven. Er hoeven immers minder protonen “opzij te worden geduwd” door het nieuwe proton.

Maximum grootte aan atoomkernen?
Omdat de hoeveelheid “lijm” per kerndeeltje gelijk blijft, maar de elektrische lading steeds meer toeneemt naarmate er meer kerndeeltjes zijn, is er een maximale grootte aan atoomkernen. Deze wordt bereikt op het punt waarbij de “lijm” niet meer in staat is de protonen bij elkaar te houden. Dit punt wordt bereikt voorbij lood. Alle atoomkernen van elementen zwaarder dan lood vallen spontaan uit elkaar. Deze tijd varieert van vele miljarden jaren, bij bismut, tot fracties van miljoensten van seconden, zoals de nieuw ontdekte elementen die de afgelopen weken aan de orde kwamen. Over het algemeen zijn zwaardere elementen radioactiever dan lichte, hoewel er enkel uitzonderingen bestaan. Zo ligt het radioactieve technetium tussen stabiele elementen in.

Bestaat er een eiland van stabiliteit?
Volgens sommige kernfysici moet er ergens hoog in het periodieke systeem, verborgen voor ons, een soort “eiland van stabiliteit” bestaan waarin zich, relatief, stabiele atoomkernen kunnen vormen. Zin of onzin? Feit is wel dat de tot nu toe ontdekte zwaarste isotopen van deze elementen ook de langstlevende isotopen zijn. het is dus waarschijnlijk dat er nog zwaardere isotopen bestaan met een veel langee levensduur. Zitten we het “eiland van stabiliteit” op de hielen? Veel insiders denken van wel…

Lees ook:
Geheimzinnig eiland van stabiliteit steeds dichter genaderd

Het periodiek systeem Ununoctium (Uuo)

9 reacties / Scheikunde, Wetenschap / Door / 17 februari 2013

Een serie artikelen over de verschillende elementen. De legoblokjes waarmee wijzelf, onze aarde en de materie van het universum is opgebouwd hebben allemaal hun eigen specifieke eigenschappen. In deze serie gaan we stap voor stap langs elk element en kijken we wat voor zinvolle zaken de wikipedia erover te zeggen heeft, met daarnaast een interessant filmpje van de universteit van Nottingham waarmee verschillende experimenten met het betreffende element worden gedaan.

Vandaag voorlopig het laatste artikel over nummer 118 van de 118 elementen, Ununoctium (Uuo)

Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken

Ununoctium is de tijdelijke naam van een hypothetisch scheikundig element met symbool Uuo en periodiek nummer 118. Het kan vallen onder de edelgassen.

De naam komt van het Latijnse unus (een) en octo (acht): 2 keer unus en een keer octo maakt 118.

In 1999 beschoot een onderzoeksteam aan het Nationale Laboratorium van Lawrence Berkeley in Californië lood-208-atomen met hoge energie krypton-86-ionen om ununoctium te creëren. Na een analyse leken er drie atomen van element 118 met atoommassa 294 en een halveringstijd van minder dan een milliseconde te zijn.

\,^{86}_{36}\mathrm{Kr} + \,^{208}_{82}\mathrm{Pb} \, \to \,^{293}_{118}\mathrm{Uuo} + 1 \; ^1_0\mathrm{n} \;

In 2001 echter, trok het team zijn claims in nadat andere laboratoria er niet in waren geslaagd om hun resultaten te reproduceren door dezelfde techniek toe te passen. Na een nieuwe analyse van de oorspronkelijke gegevens bleek het element 118 niet geproduceerd te zijn.

In 2006 maakten onderzoekers van het Russische Gezamenlijk Instituut voor Kernonderzoek en het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië in Physical Review C bekend dat ze indirect element 118 hadden gedetecteerd na botsingen van californium- en calciumatomen. De vervalproducten van drie atomen, niet de atomen zelf, zijn waargenomen. Een halveringstijd van 0,89 ms werd waargenomen. Element 118 vervalt tot element 116 door alfaverval. Binnen seconden vervalt dit weer door alfaverval tot het stabielere seaborgium-271, met een halveringstijd van 1,9 min. Dit vervalt weer tot rutherfordium-267 met een halveringstijd van 1,3 uur.

 

Het periodiek systeem Ununseptium (Uus)

Laat een reactie achter / Scheikunde, Wetenschap / Door / 17 februari 2013

Een serie artikelen over de verschillende elementen. De legoblokjes waarmee wijzelf, onze aarde en de materie van het universum is opgebouwd hebben allemaal hun eigen specifieke eigenschappen. In deze serie gaan we stap voor stap langs elk element en kijken we wat voor zinvolle zaken de wikipedia erover te zeggen heeft, met daarnaast een interessant filmpje van de universteit van Nottingham waarmee verschillende experimenten met het betreffende element worden gedaan.

Vandaag nummer 117 van de 118 elementen, Ununseptium (Uus)

Klik hierop om naar de wikipedia versie te gaan waarbij je gemakkelijk naar de verschillende elementen kunt doorklikken

Ununseptium (Eka-Astatium) is de tijdelijke naam van het in 2010 [1] ontdekte chemisch element uit het Periodiek Systeem met het atoomnummer 117. De afkorting van dit element is Uus.

Ontdekking

In januari 2010 meldden wetenschappers van het Flerov Laboratory of Nuclear Reactions dat men erin geslaagd was, succesvol verval van het nieuwe element 117 vast te leggen: [2]

\,^{48}_{20}\mathrm{Ca} + \,^{249}_{97}\mathrm{Bk} \to \,^{297}_{117}\mathrm{Uus} ^{*} \to \,^{294}_{117}\mathrm{Uus} + 3\,^{1}_{0}\mathrm{n}
\,^{48}_{20}\mathrm{Ca} + \,^{249}_{97}\mathrm{Bk} \to \,^{297}_{117}\mathrm{Uus} ^{*} \to \,^{293}_{117}\mathrm{Uus} + 4\,^{1}_{0}\mathrm{n}