Voilà à quoi ressemble la molécule d'azote fullerène. Atome d'azote à l'intérieur d'une cellule de carbone formée de 60 atomes de carboneLe système géographique GPS moderne développé par l'armée américaine permet aux véhicules, aux gadgets et à leurs propriétaires de naviguer dans le temps et l'espace. Le système transmet des données avec une précision enviable - environ 1 signal pour 100 nanosecondes. Ces signaux sont nécessaires pour une navigation précise. Connaissant la vitesse de propagation des ondes radio, vous pouvez calculer votre propre position avec une erreur de plusieurs mètres.
Mais les systèmes de géolocalisation (GPS, GLONASS et autres) ne peuvent pas résoudre tous les problèmes avec le temps. Le fait est que les satellites d'un tel système «connaissent» eux-mêmes l'heure par des horloges atomiques très précises. Néanmoins, le signal lui-même peut échouer - en raison de l'influence d'intrus ou de facteurs naturels (une tempête solaire ou même une simple réflexion du signal radio des bâtiments). Mais que faire si une horloge atomique est intégrée dans un récepteur GPS?
Ce n'est pas une pensée oiseuse, mais un vrai projet, dont une description est publiée dans la publication faisant autorité
Physical Review Letters . De telles horloges atomiques mobiles, selon les auteurs de l'étude, sont vraiment possibles. Les scientifiques espèrent également créer prochainement un "mécanisme" similaire.
Le cœur et le centre fonctionnel de toute horloge atomique sont un récipient avec de l'air évacué et un «nuage» de métal vaporeux, généralement du césium. Les atomes résonnent avec une certaine fréquence, qui est fixée à l'aide d'appareils. Dans le même temps, les atomes de césium sont «indifférents» à l'effet physique sur la montre, aux vibrations et à d'autres facteurs, qui sont très sensibles, par exemple, les montres. Les dimensions de ces systèmes sont très différentes. Mais il existe déjà une horloge atomique, dont la taille ne dépasse pas la taille d'une petite valise.
Et en 2004, encore plus de systèmes miniatures sont apparus, développés par des scientifiques de l'Institut national des normes et de la technologie. Ils ont pu réduire la taille des horloges atomiques aux dimensions d'une seule puce. Ces systèmes sont utilisés dans un certain nombre de domaines de la science et de la technologie, notamment les affaires militaires et la navigation sous-marine. Mais, malheureusement, la miniaturisation affecte considérablement le prix. Plus l'horloge atomique est petite, plus elle est chère. Le fait est que la production de tels systèmes est extrêmement difficile.
En général, on ne peut guère s'attendre à l'apparition de ce type d'horloge atomique dans les ordinateurs portables ou les téléphones. Même s'ils apparaissent, les appareils seront très chers. Et il est peu probable qu'au prix de quelques dizaines de milliers de dollars, le téléphone soit populaire, et c'est précisément la demande qui génère l'offre, et la technologie va aux masses. Jusqu'à ce qu'il soit possible de réduire le coût de production de tels systèmes, les horloges atomiques miniatures resteront le destin d'un cercle restreint de spécialistes. Peut-être que l'armée pourra payer pour de tels systèmes, peut-être la NASA et d'autres agences spatiales. Mais la sortie "au peuple" n'aura pas lieu.
La sortie de cette situation pourrait être une option alternative pour créer des horloges atomiques, proposée en 2008 par Andrew Briggs et Arzhang Ardavan de l'Université d'Oxford. Les scientifiques ont proposé d'oublier le vide et la paire de métaux et de fermer un seul atome d'azote dans la cellule de carbone. Cette cellule est du fullerène endoédrique.
Les fullerènes endoédriques sont
des molécules de
fullerène dans la cellule dont un ou plusieurs atomes ou molécules sont enfermés.
L'un des expérimentateurs de fullerène les plus appropriés est le N @ C
60 . Il s'agit d'un atome d'azote à l'intérieur d'une cellule de 60 atomes de carbone. Cette structure ressemble à un ballon de football. L'atome d'azote, en effet, se déplace librement dans cette cellule, conservant ses propriétés. Soit dit en passant, les scientifiques ont déjà créé des structures similaires avec de l'hélium et du néon. Mais, il s'est avéré que c'était l'atome d'azote dans sa "cellule" qui était idéal pour créer des horloges atomiques miniatures.
Il y a une nuance intéressante ici - N @ C
60 est une molécule qui ne devrait pas exister, car la réactivité de l'atome d'azote est très élevée. La création d'une structure complexe de ce type nécessite des conditions spéciales, qui peuvent être qualifiées d'extrêmes. Le fait est que pousser l'atome d'azote dans la structure carbonée revient à forcer l'eau du robinet à remonter. Nous parlons des caractéristiques thermodynamiques d'une telle réaction. Mais dès que la structure est formée, elle devient immédiatement stable, car le carbone isole et stabilise l'atome d'azote. Ainsi, le produit résultant peut être stocké sans aucun problème.
Dans le laboratoire de l'Université d'Oxford, ils ont trouvé un moyen de produire des fullerènes azotés, sinon massivement, puis assez rapidement. Ils utilisent une méthode appelée implantation ionique. Le fullerène est chauffé à la température d'évaporation dans un réservoir à vide, après quoi ils sont déposés sur un substrat. Un film mince de C
60 est formé . Pendant que ce film se développe, il est bombardé d'atomes d'azote. Certains d'entre eux restent coincés dans le film, formant la structure souhaitée. Certes, la productivité est très faible: la molécule d '«azote fullerène» est formée 1 fois pour 10 000 cas.
Une fois la procédure terminée, il est nécessaire d'attribuer N @ C
60 . Le problème est que les propriétés chimiques du C
60 et du N @ C
60 sont presque identiques. Cependant, il existe encore des différences. Il s'agit, d'une part, du poids moléculaire et, d'autre part, de la polarisabilité. Ces deux différences permettent d'extraire l'azote du fullerène en utilisant une méthode appelée chromatographie liquide à haute pression (HPLC).
Dans la chromatographie conventionnelle, les substances ayant des caractéristiques chimiques différentes sont séparées les unes des autres, en passant, par exemple, à travers les fibres de papier spécial. Dans le cas de la chromatographie haute pression, le principe est le même, mais la substance est entraînée à travers un "séparateur" sous pression. Dans le cas de la séparation de l'azote fullerène, l'opération doit être effectuée plusieurs fois pour séparer le C
60 du N @ C
60 .
Alors qu'en est-il de l'horloge atomique? Dans ce cas, on utilise un générateur qui émet un signal radio dont la fréquence est proche de celle de l'absorption du signal radio par l'azote. Ce signal est transmis par l'antenne au réservoir, où se trouvent les molécules d'azote fullerène. Il peut s'agir d'une poudre ou d'une solution. Si l'oscillateur est correctement réglé, le signal radio est absorbé. Sinon, le signal passe à travers la solution / poudre. En utilisant un système de réglage spécial avec rétroaction, les scientifiques ont réalisé un ajustement automatique du signal aux indicateurs requis. Tout cela peut être utilisé pour créer des horloges atomiques.
Maintenant, la tâche principale des scientifiques est de créer une puce miniature basée sur la molécule de fullerène. Un tel système serait dépourvu d'éléments optiques couramment utilisés dans les horloges atomiques. Un vide n'est également pas nécessaire. Ces systèmes seront miniatures et écoénergétiques. Ils pourront également remplacer les oscillateurs à cristal utilisés dans les appareils électroniques de suivi du temps modernes.
La solution de fullerènes dans le flaconSelon les créateurs de cette technologie, il existe de nombreuses façons de l'utiliser. Les montres portables ultraprécises sont nécessaires à tout le monde - les créateurs d'appareils électroniques, les militaires, les scientifiques, les médecins. Quant au système GPS, son signal peut être capté même à l'intérieur. Cela sera facilité par le placement d'horloges atomiques à l'intérieur de l'appareil électronique lui-même, le récepteur. Le signal GPS sera très difficile à noyer - maintenant c'est assez simple à faire. Même si le réseau satellite est partiellement endommagé (certains satellites tombent en panne), les récepteurs GPS sur Terre avec une horloge atomique intégrée fonctionneront.
De plus, il sera possible de créer des systèmes de géolocalisation miniatures pour les véhicules, les douanes, les services postaux. Les colis et les équipements peuvent être suivis sans aucun problème, même pendant le passage de tels systèmes à travers des tunnels.
Bien sûr, la création d'un système commercial est encore loin - les scientifiques doivent intéresser les entreprises à leur invention. Soit dit en passant, l'azote fullerène ne coûte rien du tout - 266 millions de dollars par gramme de substance. Le fullerène endoédrique, en fait, est devenu la substance la plus chère sur Terre, juste derrière l'antimatière (qui, en quantité importante, ne peut pas encore être établie). Selon certaines estimations, 1 gramme d'antimatière coûtera 48 billions de dollars. Mais c'est dans le cas où un moyen pratique de stocker l'antimatière est trouvé.