Aquamanův krystal
Aquaman Crystal
Chtěli jste někdy být jako mořská panna? Nebo umět obecně dýchat pod vodou, protože, hej, to je tak cool. Nehledejte dál, protože vědci vyvíjejí krystal uchovávající kyslík, který by se dal v blízké budoucnosti použít k dýchání pod vodou. Tým vědců z Dánské univerzity pracuje na určitém krystalickém materiálu známém jako {(bpbp)Co2II(NO3)}2(NH2bdc)](NO3)2 * 2H2O), který má schopnost ukládat kyslík 160krát efektivněji. než vzduch.
Dánští vědci laboratorně vytvořili zcela nový materiál – se zcela mimořádnými vlastnostmi. Dost nebezpečnými vlastnostmi…
Že jste to vy, máme pro vás i přesné chemické složení této látky – kdybyste si ji chtěli vyrobit doma: [{(bpbp)Co2II(NO3)}2(NH2bdc)](NO3)2 * 2H2O.
Chemický vzoreček ale není zase tak zajímavý jako další vlastnosti této hmoty. Kobaltové krystaly totiž dokážou takto pohlcený kyslík zase uvolnit, a to, když jsou vystaveny teplu. Autorkou objevu je v Dánsku pracující Christine McKenzieová. Ta ve studii, kde pozoruhodný krystal poprvé popisuje, přirovnává jeho vlastnosti k hemoglobinu.
Hemoglobin, který je v těle obratlovců zodpovědný za transport kyslíku, funguje na podobném principu – také on na zadržování kyslíku používá kov, konkrétně železo. Schopnosti kobaltového krystalu jsou však mnohem větší, než může zvládnout krev.
Způsob, jakým to funguje, je velmi podobný způsobu, jakým funguje hemoglobin v krevním řečišti. Zatímco hemoglobin využívá železo, krystal využívá kobalt a podobně v obou procesech je kyslík nabírán a přenášen tam, kam potřebuje, a je aplikován tlak. Kov v obou případech pomáhá zachycovat plynný kyslík, aby mohl být vázán, skladován a přepravován. Proto existuje molekulární a elektronická struktura, která umožňuje materiálům absorbovat kyslík z blízkých zdrojů. Funkční paralely dávají naději, že se krystaly stanou vysoce účinným materiálem ve vztahu k lidským výhodám.
Pokud se ukáže i v dalších testech, že materiál odpovídá své pověsti, bude to mít řadu praktických aplikací v běžném životě. Například v energetice – pro transport kyslíku do vodíkových palivových článků. Samozřejmě se nabízí také lékařské využití nebo vesmírný výzkum či oceánologie: zkrátka všude, kde je potřeba navázat a především udržet obrovské množství kyslíku.
Potenciál nové hmoty je nesmírný. McKenzieová to ukázala na příkladu potápěčských bomb. Jedno plné nadechnutí zajistí jen několik zrnek krystalu: a protože krystaly mohou absorbovat kyslík i z okolní vody, potřeba kyslíkové bomby by vlastně úplně odpadla…
Zbraň, anebo lék?
Může tak vzniknout mimořádně zákeřná, tichá a smrtící zbraň, ale také poslední naděje pro pacienty s rakovinou plic. „Tito lidé musí být dnes obklopeni velkými bombami s kyslíkem,“ podotýká Christine McKenzie z dánského vědeckého týmu.
Zcela nová éra se otevře potápěčům, kteří navždy odloží těžké a nemotorné kyslíkové lahve.
„Krystaly mohou absorbovat kyslík z okolní vody, dokážou tak dostatečně zásobovat potápěče, kterému bude stačit pro pobyt pod vodou jen několik zrníček,“ dodává Christine McKenzie.
Princip podobný krvi
Krystal vyrobený ze solí kobaltu pohltí 99 % kyslíku z místnosti a dokáže jej držet v koncentraci 160krát vyšší, než jakou má ve vzduchu. Tento kyslík se z krystalu umí opět uvolnit, pokud je vystaven vyšší teplotě.
Existuje mnoho pozitivních případů, které by přišly spolu s úspěšným vývojem „krystalu vodního muže“, jako například: pomoc při vytváření umělé fotosyntézy a nových typů palivových článků. Bylo by to také velmi efektivní v potápěčském průmyslu, což by výzkumníkům umožnilo prozkoumat pod mořem mnohem hlouběji a podrobněji. Kromě toho by tento materiál byl velmi užitečný, pokud jde o lékařské potřeby, protože by lidem, kteří potřebují kyslík, umožnil méně zatěžovat přenášením nádrží.
Přestože vývoj vypadá slibně, vědci musí vzít v úvahu některé faktory. V případě potápěčů se změny tlaku mohou stát problémem, jakmile jsou krystaly ponořeny stále hlouběji pod vodu, protože velká část jejich struktury je závislá na tlaku. Dalším důsledkem je, že lidé nedýchají čistý kyslík ze vzduchu. Opakovaně dýcháme kyslík a také další přírodní plyny, takže vědci by museli provést testy na výsledek vdechování přímého kyslíku, než bude možné materiál prohlásit za bezpečný.
Vědci z University of Southern Denmark syntetizovali krystalické materiály, které dokážou vázat a uchovávat kyslík ve vysokých koncentracích. Uložený kyslík lze znovu uvolnit, když je to potřeba.
Vystačíme si s 21 procenty kyslíku ve vzduchu kolem nás. Někdy ale potřebujeme kyslík ve vyšších koncentracích; například plicní pacienti musí nosit těžké kyslíkové nádrže, auta využívající palivové články potřebují regulovaný přísun kyslíku.
Možná se jednoho dne v budoucnu vyrobí dokonce i „reverzibilní“ palivové články poháněné slunečním zářením.
S nimi budeme muset oddělit kyslík od vodíku, abychom je mohli rekombinovat, abychom získali energii.
Nyní profesorka Christine McKenzie (uprostřed fotografie) a postdoktorand Jonas Sundberg z katedry fyziky, chemie a farmacie na University of Southern Denmark syntetizovali materiál, který absorbuje kyslík ve velkém množství a ukládá jej.
„V laboratoři jsme viděli, jak tento materiál přijímá kyslík ze vzduchu kolem nás,“ říká Christine McKenzie.
Nový materiál je krystalický a pomocí rentgenové difrakce vědci studovali uspořádání atomů uvnitř materiálu, když byl naplněn kyslíkem a když byl kyslík vyprázdněn.
Kyslík přichází a odchází na mnoha místech
Skutečnost, že látka může reagovat s kyslíkem, není překvapivá.
Dělá to spousta látek – a výsledek není vždy žádoucí: Potraviny mohou žluknout, když jsou vystaveny kyslíku.
Na druhou stranu chuť a aroma vína se při provzdušňování jemně mění – ale ne příliš velkým množstvím kyslíku!
Naše tělo nemůže fungovat, pokud nedýcháme.
„Důležitým aspektem tohoto nového materiálu je, že nereaguje nevratně s kyslíkem – i když absorbuje kyslík v takzvaném selektivním chemisorpčním procesu. Materiál je jak senzor, tak nádoba na kyslík – můžeme použít váže, uchovává a přenáší kyslík – jako pevný umělý hemoglobin,“ říká Christine McKenzie.
K nasátí veškerého kyslíku v místnosti stačí plný kbelík (10 litrů) materiálu.
„Je také zajímavé, že materiál dokáže mnohokrát absorbovat a uvolňovat kyslík, aniž by ztratil schopnost. Je to jako ponořit houbu do vody, vymačkat z ní vodu a celý proces opakovat stále dokola,“ vysvětluje Christine McKenzie.
Jakmile je kyslík absorbován, můžete jej ponechat uložený v materiálu, dokud jej nebudete chtít uvolnit. Kyslík lze uvolnit jemným zahřátím materiálu nebo jeho vystavením nízkému tlaku kyslíku.
Teplo a tlak uvolňuje uložený kyslík
„Vidíme uvolňování kyslíku, když zahříváme materiál, a také jsme to viděli, když aplikujeme vakuum. Nyní přemýšlíme, zda světlo může být také použito jako spouštěč materiálu k uvolňování kyslíku – to má vyhlídky v rostoucí pole umělé fotosyntézy,“ říká Christine McKenzie.
Klíčovou složkou nového materiálu je prvek kobalt, který je vázán ve speciálně navržené organické molekule.
„Kobalt dává novému materiálu přesně molekulární a elektronickou strukturu, která mu umožňuje absorbovat kyslík z okolí. Tento mechanismus je dobře známý u všech dýchajících tvorů na Zemi: Lidé a mnoho dalších druhů používá železo, zatímco jiná zvířata, jako jsou krabi a pavouci Malé množství kovů je nezbytné pro absorpci kyslíku, takže vlastně není úplně překvapivé vidět tento efekt v našem novém materiálu,“ vysvětluje Christine McKenzie.
V závislosti na obsahu vzdušného kyslíku, teplotě, tlaku atd.
trvá sekundy, minuty, hodiny nebo dny, než látka absorbuje kyslík ze svého okolí.
Různé verze látky mohou vázat kyslík různou rychlostí.
S touto složitostí je možné vyrábět zařízení, která uvolňují a/nebo absorbují kyslík za různých okolností – například maska obsahující vrstvy těchto materiálů ve správném pořadí může aktivně zásobovat člověka kyslíkem přímo ze vzduchu bez pomoci pump. nebo vysokotlaké zařízení.
„Když je materiál nasycený kyslíkem, lze jej přirovnat ke kyslíkové nádrži obsahující čistý kyslík pod tlakem – rozdíl je v tom, že tento materiál pojme třikrát více kyslíku,“ říká Christine McKenzie.
„To by mohlo být cenné pro plicní pacienty, kteří s sebou dnes musí nosit těžké kyslíkové nádrže. Ale také potápěči mohou jednoho dne nechat kyslíkové nádrže doma a místo toho získávat kyslík z tohoto materiálu, protože „filtruje“ a koncentruje kyslík z okolního prostředí. vzduch nebo voda. Několik zrnek obsahuje dostatek kyslíku na jeden nádech, a protože materiál může absorbovat kyslík z vody kolem potápěče a potápěči ho zásobovat, potápěč nebude muset přinést více než těchto pár zrnek.“
Materiál byl navržen a syntetizován na University of Southern Denmark. Některá měření absorpce plynu byla provedena pomocí speciálního zařízení kolegy z University of Sydney v Austrálii.