Die bescheidenen Hochleistungswerkstoff: Es gibt mehr zu Zinn als Dosen


Hören Sie Erwähnung von Zinn und Ihre Gedanken sofort an Dosen gefüllt mit schlaffen Gemüse wenden. Aber während das Metall allgegenwärtig durch seinen Einsatz im Convenience-Food-Verpackungen geworden ist, dient es tatsächlich allerlei exotische Zwecke – und es könnte nur die Zukunft der Elektronik ändern.

Bescheidenen Anfängen

Zinn – oder Sn zu seinen Kumpels im Periodensystem – ein Teil der Menschheit Arsenal seit Äonen. In der Regel gefunden innerhalb der mineralischen Kassiterit, wo es auftritt als Zinn Kohlendioxid, war es zunächst einige Zeit in der Bronzezeit um 3000 v. Chr. gewonnen. In der Tat, dieses gesamten Zeitraums ist benannt nach eine Legierung in der Dose vorhanden ist: Bronze, während in erster Linie bestehend aus Kupfer, enthält ein paar Prozent von dem Zeug.

Die allgemeine Annahme ist, dass die ersten Zinn Verwendung war ein glücklicher Zufall am Kamin, wo frühe Mann befand sich mit Kupfererz mit Spur Mengen von dem Zeug, und es wurde bald offensichtlich, die ein wenig mehr Bronze Härte, sowie abnehmende seinen Schmelzpunkt, so dass es viel einfacher, rudimentäre Werkzeuge geworfen erhöhen könnte.

Zinn standen im Mittelpunkt ein paar Jahrhunderte später in Zinn. Bestehend aus 85 – 99 Prozent Zinn, mit etwas Kupfer, Antimon, Silber, Blei oder Wismut in den Mix geworfen Zinn wurde von allen von den Ägyptern, den Römern eingesetzt und kam in umfangreichen Gebrauch in Europa aus dem Mittelalter. Warum so beliebt? Vor allem, weil es so einfach, mit zu arbeiten. Einfach in der Form und Handwerk, wurde verwendet, um Platten, Schüsseln, Humpen und allerlei andere Küchenutensilien – liebevoll genannt Besteck — bevor Keramik wirklich ergriff.

Aber genug Geschichte. In der heutigen Zeit wissen Sie wahrscheinlich über zwei große Verwendung von Zinn. Zuerst mit Blei legiert, dient es als Lot, die Millionen von Schaltungen im Laufe der Jahre zusammengehalten hat weil es bei ausreichend niedrigen Temperaturen schmelzen kann. Die zweite Verwendung ist, Dinge rosten stoppen. Da Zinn leicht oxidieren nicht – der Prozess, der Stahl und Eisen Rost macht – es kann verwendet werden, um andere Metalle zur Vermeidung von Korrosion zu beschichten. Daher die Blechdose Moniker: in der Regel aus Stahl gefertigt, die Lebensmittel-tragenden Zylinder sind eigentlich beschichtet mit ein wenig Zinn in Topform zu halten. Aber es gibt so viel Zinn als das.

Technisches

Sie wissen es vielleicht nicht, da es in einem Labor und kein Supermarkt-Regal geschah, aber Dose zufällig einer der ersten überhaupt Supraleiter untersucht werden. Nehmen Sie Kristalle davon nach unten, unten 3,72 Kelvin und es beginnt supraleitenden, so dass Strom ohne Widerstand durchlässt. In der Tat war es das Material, in dem der Meissner-Effekt – wo Supraleiter vertreiben Magnetfeld – wurde erstmals beobachtet. Erforschung von Zinn mit, wie ein Supraleiter in seiner Reinform vor kurzem ein Wiederaufleben gesehen hat – dazu später mehr – aber in der Zwischenzeit wurde es die Grundlage für viele supraleitenden Magneten: ein 5-Pfund-Magnet, hergestellt aus Niob-Zinn, zum Beispiel kann die gleiche Stärke des Feldes als eine konventionelle Elektromagneten Tonnen produzieren.

Anderswo ist, Zinn komischerweise immer in Kunststoff tauchten. In der Regel verschlechtern PVC Kunststoff mit Wärme, Licht und auch nur Kontakt mit Sauerstoff, immer verfärbt und brüchig. Sowohl ästhetisch als auch strukturell, ist eine schlechte Nachricht. Aber ein wenig Zinn in die Mischung, und sie verbinden sich mit Chlorid-Ionen zu werfen – die sonst dazu führen, dass des Kunststoffs zu erniedrigen — zu bilden neue, inert Verbindungen der Dinge gehen schlecht hält.

Das ist nicht der einzige Ort ein wenig von dem Zeug kann entweder ein anderes Material verwandeln. Die Zirkonium-Legierungen verwendet, um die Brennstäbe in den Reaktoren jetzt gekleidet gehören ein paar Prozent aus Metall, die zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Wrappers enthalten ist. Im Wesentlichen können Sie danken, für diese Ruten sicher verschlossen zu halten.

Doch Zinn ist nicht auf eine Rolle als unterstützende Spieler beschränkt; Wenn die aktuelle Forschung zu urteilen ist, könnte eines der wichtigsten Materialien des elektronischen Zeitalters Zinn.

Bessere Batterien

Wer eine Smartphone nutzt, weiß, dass vielleicht die größte limitierende Faktor in der aktuellen Technologie Lebensdauer der Batterie ist. Es ist unbestritten, dass li-Batterien verbessert haben, mit der Zeit aber nicht mit einer Rate, die mithalten kann die Quantensprünge in der Leistung, die wir gekommen sind zu erwarten. Forscher an der Washington State University, haben jedoch entdeckt, dass Zinn Schub Kapazität der Akkus li-on helfen kann, die in unsere Handys, Notebooks und Autos sitzen.

Anstelle von Graphit an der Anode – die Elektrode einer Batterie in welche fließt elektrischer Strom – sie haben mit Zinn stattdessen experimentiert. Durch die Wahl verschiedener Anodenmaterial sorgfältig, es ist möglich, die Dichte der Lithium-Ionen, die eine Batterie speichert zu erhöhen – das ist, was die mögliche Ladung einer Batterie bietet, und lassen Sie Elektronen während des Gebrauchs zu verlieren, da sie zur Kathode bewegen. Stellt sich heraus, die Beschichtung eine Anode in 50 Nanometer Nadeln aus Zinn statt Graphit verdreifacht sich die Dichte der Ionen an der Anode. Jetzt arbeiten die Wissenschaftler, wie man Zinn Elektroden günstig in großen Mengen, so dass wir viel besser Batterien in den kommenden Jahren erwarten können.

Perfekte Dirigenten

Auch in jüngerer Zeit, ein Team von Forschern entwickelte so genannte Stanene: eine einlagige Zinn Atome, aus denen könnte nur sein das weltweit erste Material Strom mit 100 Prozent Wirkungsgrad bei Temperaturen bei denen Computer arbeiten durchzuführen. Wissenschaftler aus der SLAC National Accelerator Laboratory und der Stanford University haben lange über topologische Isolatoren, nachgedacht, die Strom nur durch ihre äußere Kanten oder Flächen, aber nicht durch ihre Innenräume leiten sollte. Diese Materialien ein Atom dick machen, und theoretisch können sie mit 100 Prozent Wirkungsgrad leitend.

Neue Berechnungen führten die Forscher zu erkennen, dass eine einzelne Schicht aus Zinn ein topologischer Isolator in und oberhalb der Raumtemperatur wäre. Nicht nur, dass sie zu rechnen, dass die Mischung hinzufügen einige Fluoratome seine 100 Prozent Wirkungsgrad Betriebsbereich bis mindestens 100 Grad Celsius verlängern würde. In der Praxis wäre die Auswirkungen eines solchen Materials erstaunlich: Computer konnte laufen mit Null elektrischen Verlust; Smartphone-Akkus könnte viel länger dauern.

Erstaunlicherweise hat ihre theoretische Modellierung der Vermutung bestätigt: Stanene wirklich liefern könnte. Bisher bleibt diese gebunden an das Labor, eine Prototyp-Material, das eine Hölle von viel getestet, bevor wir sind uns sicher, es ist der Gewinner, den die Forscher behaupten, es zu unterziehen muss. Aber wenn das Team die Herstellung Herausforderungen überwinden kann — wie sich nur eine einzige Schicht von Zinn zu gewährleisten lagert und sicherstellen, dass es intakt bleibt, wenn es verwendet wird, um Komponenten zu fertigen – dann könnte es nur super Dirigent, sie alle zu schlagen. Und es sollte genügend Saft dank Zinn in den Batterien, zu nutzen.

Bild von Sergey Nivens/Shutterstock und Sergey Nivens / Shutterstock

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