Die kleinste Atomuhr - Stickstoff in einer Kohlenstoffzelle

So sieht das Stickstoff-Fulleren-Molekül aus. Stickstoffatom in einer Kohlenstoffzelle, die aus 60 Kohlenstoffatomen besteht

Das vom US-Militär entwickelte moderne geografische GPS-System ermöglicht es Fahrzeugen, Geräten und ihren Besitzern, zeitlich und räumlich zu navigieren. Das System überträgt Daten mit beneidenswerter Genauigkeit - ungefähr 1 Signal pro 100 Nanosekunden. Diese Signale sind für eine genaue Navigation erforderlich. Wenn Sie die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen kennen, können Sie Ihren eigenen Standort mit einem Fehler von mehreren Metern berechnen.

Geolokalisierungssysteme (GPS, GLONASS und andere) können jedoch nicht alle Probleme mit der Zeit lösen. Tatsache ist, dass die Satelliten eines solchen Systems die Zeit selbst durch Atomuhren „kennen“, die sehr genau sind. Trotzdem kann das Signal selbst ausfallen - aufgrund des Einflusses von Eindringlingen oder natürlichen Faktoren (ein Sonnensturm oder sogar eine einfache Reflexion des Funksignals von Gebäuden). Was aber, wenn eine Atomuhr in einen GPS-Empfänger eingebettet ist?

Dies ist kein müßiger Gedanke, sondern ein echtes Projekt, dessen Beschreibung in der maßgeblichen Veröffentlichung Physical Review Letters veröffentlicht wird . Solche mobilen Atomuhren sind laut den Autoren der Studie wirklich möglich. Wissenschaftler hoffen auch, bald einen ähnlichen "Mechanismus" zu schaffen.

Das Herz und Funktionszentrum jeder Atomuhr ist ein Behälter mit evakuierter Luft und einer „Wolke“ aus dampfförmigem Metall, normalerweise Cäsium. Atome schwingen mit einer bestimmten Frequenz mit, die mit Hilfe von Geräten festgelegt wird. Gleichzeitig sind Cäsiumatome gegenüber der physikalischen Wirkung auf die Uhr, gegenüber Vibrationen und anderen Faktoren, die sehr empfindlich sind, beispielsweise Uhren, „gleichgültig“. Die Abmessungen solcher Systeme sind sehr unterschiedlich. Es gibt aber bereits eine Atomuhr, deren Größe die Größe eines kleinen Koffers nicht überschreitet.

Und im Jahr 2004 erschienen noch mehr Miniatursysteme, die von Wissenschaftlern des Nationalen Instituts für Standards und Technologie entwickelt wurden. Sie konnten die Größe der Atomuhren auf die Abmessungen eines einzelnen Chips reduzieren. Solche Systeme werden in einer Reihe von Bereichen der Wissenschaft und Technologie eingesetzt, einschließlich militärischer Angelegenheiten und Unterwassernavigation. Leider wirkt sich die Miniaturisierung stark auf den Preis aus. Je kleiner die Atomuhr ist, desto teurer ist sie. Tatsache ist, dass die Herstellung solcher Systeme äußerst schwierig ist.

Im Allgemeinen kann man das Auftreten dieser Art von Atomuhr in Laptops oder Telefonen kaum erwarten. Selbst wenn sie erscheinen, werden die Geräte sehr teuer sein. Und es ist unwahrscheinlich, dass das Telefon zu einem Preis von ein paar Zehntausenden von Dollar beliebt sein wird, und genau die Nachfrage erzeugt das Angebot, und die Technologie geht an die Massen. Bis es möglich ist, die Produktionskosten solcher Systeme zu senken, bleiben Miniatur-Atomuhren das Schicksal eines engen Kreises von Spezialisten. Vielleicht kann das Militär für solche Systeme bezahlen, vielleicht die NASA und andere Weltraumagenturen. Aber der Ausgang "zu den Menschen" wird nicht stattfinden.

Der Ausweg aus dieser Situation könnte eine alternative Option für die Erstellung von Atomuhren sein, die 2008 von Andrew Briggs und Arzhang Ardavan von der Universität Oxford vorgeschlagen wurde. Wissenschaftler schlugen vor, das Vakuum und das Metallpaar zu vergessen und nur ein einzelnes Stickstoffatom in der Kohlenstoffzelle zu schließen. Diese Zelle ist endohedrales Fulleren. Endohedrale Fullerene sind Fullerenmoleküle , in deren Zelle ein oder mehrere Atome oder Moleküle eingeschlossen sind.

Einer der am besten geeigneten Fulleren-Experimentatoren ist N @ C ₆₀ . Dies ist ein Stickstoffatom in einer Zelle mit 60 Kohlenstoffatomen. Diese Struktur ähnelt einem Fußball. Tatsächlich bewegt sich das Stickstoffatom in dieser Zelle frei und behält seine Eigenschaften bei. Wissenschaftler haben übrigens bereits ähnliche Strukturen mit Helium und Neon geschaffen. Wie sich herausstellte, war es jedoch das Stickstoffatom in seiner "Zelle", das sich ideal zur Herstellung von Miniatur-Atomuhren eignet.

Hier gibt es eine interessante Nuance - N @ C ₆₀ ist ein Molekül, das nicht existieren sollte, da die Reaktivität des Stickstoffatoms sehr hoch ist. Um eine komplexe Struktur dieses Typs zu erstellen, sind spezielle Bedingungen erforderlich, die als extrem bezeichnet werden können. Tatsache ist, dass das Drücken des Stickstoffatoms in die Kohlenstoffstruktur ungefähr dem Druck des Wassers aus dem Wasserhahn entspricht, nach oben zu fließen. Wir sprechen über die thermodynamischen Eigenschaften einer solchen Reaktion. Sobald sich die Struktur gebildet hat, wird sie sofort stabil, da Kohlenstoff das Stickstoffatom isoliert und stabilisiert. Somit kann das resultierende Produkt problemlos gelagert werden.

Im Labor der Universität Oxford fanden sie einen Weg, Stickstoff-Fullerene schnell, wenn nicht massiv, zu produzieren. Sie verwenden eine Methode namens Ionenimplantation. Fulleren wird in einem Vakuumtank auf die Verdampfungstemperatur erhitzt, wonach es auf einem Substrat abgeschieden wird. Ein dünner Film aus C _{60 wird gebildet} . Während dieser Film wächst, wird er mit Stickstoffatomen bombardiert. Einige von ihnen bleiben im Film stecken und bilden die gewünschte Struktur. Die Produktivität ist zwar sehr gering: Das Molekül „Stickstoff-Fulleren“ wird einmal pro 10.000 Fälle gebildet.



Nach Abschluss des Vorgangs muss N @ C ₆₀ zugewiesen werden. Das Problem ist, dass die chemischen Eigenschaften von C ₆₀ und N @ C ₆₀ nahezu identisch sind. Es gibt jedoch immer noch Unterschiede. Dies ist zum einen das Molekulargewicht und zum anderen die Polarisierbarkeit. Diese beiden Unterschiede ermöglichen die Extraktion von Stickstoff-Fulleren mit einer Methode, die als Hochdruckflüssigchromatographie (HPLC) bezeichnet wird.

Bei der konventionellen Chromatographie werden Substanzen mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften voneinander getrennt, beispielsweise durch die Fasern von Spezialpapier. Bei der Hochdruckchromatographie ist das Prinzip dasselbe, aber die Substanz wird unter Druck durch einen "Separator" getrieben. Im Fall der Abtrennung von Stickstoff-Fulleren muss der Vorgang viele Male durchgeführt werden, um C ₆₀ von N @ C ₆₀ abzutrennen.

Was ist also mit der Atomuhr? In diesem Fall wird ein Generator verwendet, der ein Funksignal aussendet, dessen Frequenz nahe an der der Absorption des Funksignals durch Stickstoff liegt. Dieses Signal wird über die Antenne zum Tank übertragen, wo sich die Stickstoff-Fulleren-Moleküle befinden. Es kann ein Pulver oder eine Lösung sein. Wenn der Oszillator richtig eingestellt ist, wird das Funksignal absorbiert. Wenn nicht, geht das Signal durch die Lösung / das Pulver. Mit einem speziellen Abstimmsystem mit Rückmeldung haben Wissenschaftler eine automatische Anpassung des Signals an die erforderlichen Indikatoren erreicht. All dies kann verwendet werden, um Atomuhren zu erzeugen.

Die Hauptaufgabe der Wissenschaftler besteht nun darin, einen Miniaturchip auf der Basis des Fullerenmoleküls herzustellen. Ein solches System würde keine optischen Elemente aufweisen, die üblicherweise in Atomuhren verwendet werden. Ein Vakuum ist ebenfalls nicht erforderlich. Solche Systeme werden miniaturisiert und energieeffizient sein. Sie werden auch in der Lage sein, die in modernen elektronischen Zeiterfassungsgeräten verwendeten Quarzoszillatoren zu ersetzen.


Die Lösung von Fullerenen im Kolben

Laut den Entwicklern dieser Technologie gibt es viele Möglichkeiten, sie zu verwenden. Tragbare hochpräzise Uhren werden von jedem benötigt - den Entwicklern elektronischer Geräte, dem Militär, Wissenschaftlern und Ärzten. Das GPS-System kann auch in Innenräumen empfangen werden. Dies wird durch die Platzierung von Atomuhren im elektronischen Gerät selbst, dem Empfänger, erleichtert. Das GPS-Signal wird sehr schwer zu übertönen sein - jetzt ist es ganz einfach. Selbst wenn das Satellitennetzwerk teilweise beschädigt ist (einige Satelliten fallen aus), funktionieren GPS-Empfänger auf der Erde mit integrierter Atomuhr.

Darüber hinaus können Miniatur-Geolokalisierungssysteme für Fahrzeuge, Zoll und Postdienste erstellt werden. Pakete und Ausrüstung können auch während des Durchgangs solcher Systeme durch Tunnel problemlos verfolgt werden.

Natürlich ist die Schaffung eines kommerziellen Systems noch weit entfernt - Wissenschaftler müssen Unternehmen für ihre Erfindung interessieren. Übrigens kostet Stickstoff-Fulleren überhaupt nichts - 266 Millionen US-Dollar pro Gramm Substanz. Tatsächlich ist das endohedrale Fulleren nach Antimaterie (die in erheblichen Mengen noch nicht nachgewiesen werden kann) die teuerste Substanz der Erde. Nach einigen Schätzungen kostet 1 Gramm Antimaterie 48 Billionen US-Dollar. Dies ist jedoch der Fall, wenn ein praktischer Weg zur Speicherung von Antimaterie gefunden wird.