É assim que a molécula de nitrogênio fulereno se parece. Átomo de nitrogênio dentro de uma célula de carbono formada por 60 átomos de carbonoO moderno sistema geográfico GPS desenvolvido pelas forças armadas dos EUA permite que veículos, aparelhos e seus proprietários naveguem no tempo e no espaço. O sistema transmite dados com precisão invejável - aproximadamente 1 sinal por 100 nanossegundos. Esses sinais são necessários para uma navegação precisa. Conhecendo a velocidade de propagação das ondas de rádio, você pode calcular sua própria localização com um erro de vários metros.
Mas os sistemas de geolocalização (GPS, GLONASS e outros) não podem resolver todos os problemas com o tempo. O fato é que os próprios satélites de tal sistema “sabem” o tempo por relógios atômicos, que são muito precisos. No entanto, o próprio sinal pode falhar - devido à influência de intrusos ou fatores naturais (uma tempestade solar ou mesmo um simples reflexo do sinal de rádio dos edifícios). Mas e se um relógio atômico estiver embutido em um receptor GPS?
Este não é um pensamento ocioso, mas um projeto real, cuja descrição é publicada na publicação
oficial Physical Review Letters . Tais relógios atômicos móveis, de acordo com os autores do estudo, são realmente possíveis. Os cientistas também esperam criar em breve um "mecanismo" semelhante.
O coração e o centro funcional de qualquer relógio atômico são um recipiente com ar evacuado e uma “nuvem” de metal vaporoso, geralmente césio. Os átomos ressoam com uma certa frequência, que é fixada com a ajuda de dispositivos. Ao mesmo tempo, os átomos de césio são "indiferentes" ao efeito físico no relógio, a vibrações e outros fatores que são muito sensíveis, por exemplo, relógios. As dimensões desses sistemas são muito diferentes. Mas já existe um relógio atômico, cujo tamanho não excede o tamanho de uma pequena mala.
E em 2004, surgiram ainda mais sistemas em miniatura, desenvolvidos por cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Eles conseguiram reduzir o tamanho dos relógios atômicos nas dimensões de um único chip. Tais sistemas são usados em várias áreas da ciência e tecnologia, incluindo assuntos militares e navegação subaquática. Infelizmente, a miniaturização afeta muito o preço. Quanto menor o relógio atômico, mais caro ele é. O fato é que a produção de tais sistemas é extremamente difícil.
Em geral, dificilmente se pode esperar o aparecimento desse tipo de relógio atômico em laptops ou telefones. Mesmo que apareçam, os dispositivos serão muito caros. E é improvável que, a um custo de algumas dezenas de milhares de dólares, o telefone seja popular, e é precisamente a demanda que gera oferta, e a tecnologia vai para as massas. Até que seja possível reduzir o custo de produção de tais sistemas, os relógios atômicos em miniatura permanecerão o destino de um círculo restrito de especialistas. Talvez os militares possam pagar por esses sistemas, talvez a NASA e outras agências espaciais. Mas a saída "para o povo" não ocorrerá.
A saída dessa situação pode ser uma opção alternativa para a criação de relógios atômicos, proposta em 2008 por Andrew Briggs e Arzhang Ardavan, da Universidade de Oxford. Os cientistas propuseram esquecer o vácuo e o par de metais e apenas fechar um único átomo de nitrogênio na célula de carbono. Esta célula é fulereno endoédrico.
Os fulerenos endoédricos são moléculas de
fulereno na célula das quais um ou mais átomos ou moléculas estão incluídos.
Um dos experimentadores de fulereno mais adequados é o N @ C
60 . Este é um átomo de nitrogênio dentro de uma célula de 60 átomos de carbono. Essa estrutura se assemelha a uma bola de futebol. De fato, o átomo de nitrogênio se move livremente nessa célula, mantendo suas propriedades. A propósito, os cientistas já criaram estruturas semelhantes com hélio e néon. Mas, como se viu, era o átomo de nitrogênio em sua "célula" que é ideal para criar relógios atômicos em miniatura.
Há uma nuance interessante aqui - N @ C
60 é uma molécula que não deveria existir, uma vez que a reatividade do átomo de nitrogênio é muito alta. Criar uma estrutura complexa desse tipo requer condições especiais, que podem ser chamadas de extremas. O fato é que empurrar o átomo de nitrogênio na estrutura do carbono é o mesmo que forçar a água da torneira a fluir para cima. Estamos falando das características termodinâmicas dessa reação. Mas assim que a estrutura é formada, ela imediatamente se torna estável, pois o carbono isola e estabiliza o átomo de nitrogênio. Assim, o produto resultante pode ser armazenado sem problemas.
No laboratório da Universidade de Oxford, eles encontraram uma maneira de produzir fulerenos de nitrogênio, se não em massa, e com rapidez suficiente. Eles usam um método chamado implantação de íons. O fulereno é aquecido até a temperatura de evaporação em um tanque de vácuo, após o que são depositados em um substrato. Um filme fino de C
60 é formado . Enquanto esse filme cresce, ele é bombardeado com átomos de nitrogênio. Alguns deles ficam presos no filme, formando a estrutura desejada. É verdade que a produtividade é muito baixa: a molécula de “nitrogênio fulereno” é formada 1 vez por 10.000 casos.
Após a conclusão do procedimento, é necessário alocar N @ C
60 . O problema é que as propriedades químicas de C
60 e N @ C
60 são quase idênticas. No entanto, ainda existem diferenças. Isto é, primeiro, peso molecular e, segundo, polarizabilidade. Essas duas diferenças tornam possível extrair o fulereno de nitrogênio usando um método chamado cromatografia líquida de alta pressão (HPLC).
Na cromatografia convencional, substâncias com características químicas diferentes são separadas umas das outras, passando, por exemplo, pelas fibras de papel especial. No caso da cromatografia de alta pressão, o princípio é o mesmo, mas a substância é acionada através de um "separador" sob pressão. No caso da separação do fulereno de nitrogênio, a operação deve ser realizada várias vezes para separar C
60 de N @ C
60 .
E o relógio atômico? Nesse caso, é usado um gerador que emite um sinal de rádio cuja frequência é próxima à absorção do sinal de rádio pelo nitrogênio. Este sinal é transmitido através da antena para o tanque, onde estão localizadas as moléculas de nitrogênio fulereno. Pode ser um pó ou uma solução. Se o oscilador estiver sintonizado corretamente, o sinal de rádio será absorvido. Caso contrário, o sinal passa pela solução / pó. Usando um sistema de sintonia especial com feedback, os cientistas conseguiram o ajuste automático do sinal para os indicadores necessários. Tudo isso pode ser usado para criar relógios atômicos.
Agora, a principal tarefa que os cientistas enfrentam é criar um chip em miniatura baseado na molécula de fulereno. Esse sistema seria desprovido de elementos ópticos que são comumente usados em relógios atômicos. Um vácuo também não é necessário. Tais sistemas serão miniatura e energeticamente eficientes. Eles também poderão substituir os osciladores de cristal usados nos modernos dispositivos eletrônicos de rastreamento de tempo.
A solução de fulerenos no balãoDe acordo com os criadores desta tecnologia, existem várias maneiras de usá-la. Todos os relógios portáteis de precisão são necessários - os criadores de dispositivos eletrônicos, militares, cientistas, médicos. Quanto ao sistema GPS, seu sinal pode ser capturado mesmo em ambientes fechados. Isso será facilitado pela colocação de relógios atômicos dentro do próprio dispositivo eletrônico, o receptor. O sinal do GPS será muito difícil de abafar - agora é bem simples de fazer. Mesmo que a rede de satélites esteja parcialmente danificada (alguns satélites falham), os receptores de GPS na Terra com um relógio atômico integrado funcionarão.
Além disso, será possível criar sistemas de geolocalização em miniatura para veículos, alfândegas e serviços postais. Encomendas e equipamentos podem ser rastreados sem problemas, mesmo durante a passagem desses sistemas pelos túneis.
Obviamente, a criação de um sistema comercial ainda está muito distante - os cientistas precisam interessar as empresas com sua invenção. A propósito, o fulereno de nitrogênio não custa nada - US $ 266 milhões por grama de substância. De fato, o fulereno endoédrico tornou-se a substância mais cara da Terra, perdendo apenas para a antimatéria (cuja produção em quantidades significativas ainda é impossível de estabelecer). Segundo algumas estimativas, 1 grama de antimatéria custará US $ 48 trilhões. Mas isso é caso seja encontrada uma maneira prática de armazenar antimatéria.