Seperti inilah bentuk molekul nitrogen fullerene. Atom nitrogen di dalam sel karbon dibentuk oleh 60 atom karbonSistem geografis GPS modern yang dikembangkan oleh militer AS memungkinkan kendaraan, gadget, dan pemiliknya bernavigasi dalam ruang dan waktu. Sistem mentransmisikan data dengan akurasi yang patut ditiru - sekitar 1 sinyal per 100 nanodetik. Sinyal-sinyal ini diperlukan untuk navigasi yang akurat. Mengetahui kecepatan penyebaran gelombang radio, Anda dapat menghitung lokasi Anda sendiri dengan kesalahan beberapa meter.
Tetapi sistem geolokasi (GPS, GLONASS dan lainnya) tidak dapat menyelesaikan semua masalah dengan waktu. Faktanya adalah bahwa satelit dari sistem semacam itu sendiri "tahu" waktu oleh jam atom, yang sangat akurat. Namun demikian, sinyal itu sendiri dapat gagal - karena pengaruh pengganggu atau faktor alam (badai matahari atau bahkan refleksi sederhana dari sinyal radio dari bangunan). Tetapi bagaimana jika sebuah jam atom tertanam dalam sebuah penerima GPS?
Ini bukan pemikiran iseng, tetapi proyek nyata, deskripsi yang diterbitkan dalam publikasi
Physical Review Letters . Jam atom seluler seperti itu, menurut penulis penelitian, sangat mungkin. Para ilmuwan juga berharap untuk segera menciptakan "mekanisme" serupa.
Jantung dan pusat fungsional dari setiap jam atom adalah sebuah wadah dengan udara yang dievakuasi dan "awan" dari logam yang menguap, biasanya cesium. Atom beresonansi dengan frekuensi tertentu, yang diperbaiki dengan bantuan perangkat. Pada saat yang sama, atom cesium “tidak peduli” terhadap efek fisik pada arloji, terhadap getaran dan faktor-faktor lain, yang sangat sensitif, misalnya jam tangan. Dimensi sistem semacam itu sangat berbeda. Tapi sudah ada jam atom, yang ukurannya tidak melebihi ukuran koper kecil.
Dan pada 2004, bahkan lebih banyak sistem miniatur muncul, dikembangkan oleh para ilmuwan dari Institut Nasional Standar dan Teknologi. Mereka mampu mencapai pengurangan ukuran jam atom ke dimensi chip tunggal. Sistem semacam itu digunakan di sejumlah bidang sains dan teknologi, termasuk urusan militer dan navigasi bawah laut. Namun, sayangnya, miniaturisasi sangat mempengaruhi harga. Semakin kecil jam atom, semakin mahal harganya. Faktanya adalah bahwa memproduksi sistem seperti itu sangat sulit.
Secara umum, orang tidak dapat mengharapkan tampilan jam atom jenis ini di laptop atau telepon. Bahkan jika mereka muncul, maka perangkatnya akan sangat mahal. Dan tidak mungkin bahwa dengan biaya beberapa puluh ribu dolar, telepon akan menjadi populer, dan justru permintaan yang menghasilkan pasokan, dan teknologi pergi ke "massa". Sampai dimungkinkan untuk mengurangi biaya produksi sistem semacam itu, jam atom miniatur akan tetap menjadi takdir lingkaran sempit para spesialis. Mungkin militer akan dapat membayar untuk sistem seperti itu, mungkin NASA dan badan antariksa lainnya. Tetapi jalan keluar "ke rakyat" tidak akan terjadi.
Jalan keluar dari situasi ini mungkin menjadi opsi alternatif untuk membuat jam atom, yang diusulkan pada 2008 oleh Andrew Briggs dan Arzhang Ardavan dari Universitas Oxford. Para ilmuwan mengusulkan untuk melupakan kekosongan dan pasangan logam, dan hanya menutup satu atom nitrogen dalam sel karbon. Sel ini adalah fullerene endohedral.
Fullerene endohedral adalah molekul
fullerene dalam sel yang satu atau lebih atom atau molekulnya tertutup.
Salah satu eksperimen fullerene yang paling cocok adalah N @ C
60 . Ini adalah atom nitrogen di dalam sel 60 atom karbon. Struktur ini menyerupai bola sepak. Atom nitrogen, pada kenyataannya, bebas bergerak dalam sel ini, mempertahankan sifat-sifatnya. Ngomong-ngomong, para ilmuwan telah menciptakan struktur serupa dengan helium dan neon. Tetapi, ternyata, itu adalah atom nitrogen dalam "sel" -nya yang ideal untuk membuat jam atom mini.
Ada nuansa yang menarik di sini - N @ C
60 adalah molekul yang seharusnya tidak ada, karena reaktivitas atom nitrogen sangat tinggi. Untuk membuat struktur yang kompleks dari jenis ini membutuhkan kondisi khusus, yang bisa disebut ekstrem. Faktanya adalah bahwa mendorong atom nitrogen ke dalam struktur karbon hampir sama dengan memaksa air dari keran mengalir ke atas. Kita berbicara tentang fitur termodinamika dari reaksi semacam itu. Tetapi segera setelah struktur terbentuk, segera menjadi stabil, karena karbon mengisolasi dan menstabilkan atom nitrogen. Dengan demikian, produk yang dihasilkan dapat disimpan tanpa masalah.
Di laboratorium Universitas Oxford, mereka menemukan cara untuk menghasilkan nitrogen fullerene, jika tidak secara besar-besaran, maka cukup cepat. Mereka menggunakan metode yang disebut implantasi ion. Fullerene dipanaskan sampai suhu penguapan dalam tangki vakum, setelah itu mereka disimpan di substrat. Lapisan tipis C
60 terbentuk . Sementara film ini tumbuh, film ini dibombardir dengan atom nitrogen. Beberapa dari mereka terjebak dalam film, membentuk struktur yang diinginkan. Benar, produktivitas sangat rendah: molekul "nitrogen fullerene" terbentuk 1 kali per 10.000 kasus.
Setelah prosedur selesai, perlu untuk mengalokasikan N @ C
60 . Masalahnya adalah bahwa sifat kimia C
60 dan N @ C
60 hampir identik. Namun, masih ada perbedaan. Ini, pertama, berat molekul, dan kedua, polarisasi. Dua perbedaan ini memungkinkan untuk mengekstrak nitrogen fullerene menggunakan metode yang disebut kromatografi cair tekanan tinggi (HPLC).
Dalam kromatografi konvensional, zat yang memiliki karakteristik kimia yang berbeda dipisahkan satu sama lain, lewat, misalnya, melalui serat kertas khusus. Dalam kasus kromatografi tekanan tinggi, prinsipnya sama, tetapi substansi didorong melalui "pemisah" di bawah tekanan. Dalam hal pemisahan nitrogen fullerene, operasi harus dilakukan berkali-kali untuk memisahkan
C60 dari N @ C
60 .
Jadi bagaimana dengan jam atom? Dalam hal ini, generator digunakan yang memancarkan sinyal radio yang frekuensinya dekat dengan penyerapan sinyal radio oleh nitrogen. Sinyal ini ditransmisikan melalui antena ke tangki, di mana molekul nitrogen fullerene berada. Itu bisa berupa bubuk atau larutan. Jika osilator disetel dengan benar, sinyal radio diserap. Jika tidak, sinyal melewati larutan / bubuk. Menggunakan sistem penyetelan khusus dengan umpan balik, para ilmuwan telah mencapai penyesuaian otomatis dari sinyal ke indikator yang diperlukan. Semua ini dapat digunakan untuk membuat jam atom.
Sekarang tugas utama yang dihadapi para ilmuwan adalah membuat chip miniatur yang didasarkan pada molekul fullerene. Sistem seperti itu akan tanpa elemen optik yang biasanya digunakan dalam jam atom. Vakum juga tidak diperlukan. Sistem seperti itu akan miniatur dan hemat energi. Mereka juga akan dapat menggantikan osilator kristal yang digunakan dalam perangkat pelacakan waktu elektronik modern.
Solusi fullerene dalam labuMenurut pencipta teknologi ini, ada banyak cara untuk menggunakannya. Jam tangan ultraprecise portabel dibutuhkan oleh semua orang - pencipta perangkat elektronik, militer, ilmuwan, dokter. Sedangkan untuk sistem GPS, sinyalnya dapat ditangkap bahkan di dalam ruangan. Ini akan difasilitasi oleh penempatan jam atom di dalam perangkat elektronik itu sendiri, penerima. Sinyal GPS akan sangat sulit ditenggelamkan - sekarang cukup mudah dilakukan. Bahkan jika jaringan satelit rusak sebagian (beberapa satelit gagal), penerima GPS di Bumi dengan jam atom terintegrasi akan berfungsi.
Selain itu, dimungkinkan untuk membuat sistem geolokasi miniatur untuk kendaraan, bea cukai, layanan pos. Paket dan peralatan dapat dilacak tanpa masalah, bahkan selama lewatnya sistem melalui terowongan.
Tentu saja, penciptaan sistem komersial masih jauh - ilmuwan perlu menarik minat perusahaan dengan penemuan mereka. Ngomong-ngomong, nitrogen fullerene tidak memerlukan biaya sama sekali - $ 266 juta per gram zat. Kenyataannya, fullerene endohedral telah menjadi zat paling mahal di Bumi, kedua setelah antimateri (yang, dalam jumlah signifikan apa pun, belum dapat dipastikan). Menurut beberapa perkiraan, 1 gram antimateri akan menelan biaya $ 48 triliun. Tapi ini kalau-kalau ditemukan cara praktis untuk menyimpan antimateri.