Wprowadzenie do nanotechnologii (cz. I)

Autor: opr. jaas

Fizycy i chemicy, a dużo wcześniej alchemicy, działają podobnie: starają się rozebrać materię na elementarne składniki.

Początkowo uczonym wydawało się im, że wszystko jest złożone z czterech żywiołów: ziemi, powietrza, ognia i wody, choć dla Chińczyków było już nieco inaczej, bo zamiast powietrza był metal i drewno. Później zatriumfowała idea atomów. Ruszył ją z posad Demokryt, przyglądając się pyłkom kurzu. Jeszcze nie tak dawno, wychodząc z założenia, że istnieją najmniejsze kuliste cząsteczki wody, Kepler doszedł do ważnych wniosków na temat budowy płatków śniegu, a którego spostrzeżenia uznajemy za początek krystalografii. Dziś fizycy wysokich energii dotarli do bardziej elementarnych składników niż atomy, bo do kwarków. Ale to nie koniec drogi. Budowana mozolnie teoria strun ma ponoć dotknąć jeszcze głębszego poziomu. Czy istnieje jednak najbardziej elementarny poziom organizacji materii? Nie znamy odpowiedzi na to pytanie, ale niektórzy naukowcy uważają, że tak i że jesteśmy blisko dna.

W latach pięćdziesiątych XX wieku amerykański noblista, fizyk Richard Feynman, zaproszony na seminarium Amerykańskiego Towarzystwa Naukowego, wygłosił wykład, którego myślą przewodnią było zdanie: „There is plenty of room at the bottom”, co w naszym tłumaczeniu znaczy miej więcej: „Gdzieś tam na dole jest dużo miejsca”. Feynmanowi chodziło o to, że człowiek poznał w zasadzie olbrzymią większość praw chemicznych i fizycznych rządzących światem. Ale ten świat działa dlatego, że sama materia potrafi się odradzać i reprodukować. Istnieje zatem coś takiego, co można by nazwać obiegiem materii w przyrodzie, o czym niestety mamy niewielkie pojęcie. Feynman zastanawiał się zatem, jak naśladować naturę, która z atomów i cząstek, działając za pomocą katalizatorów, np. enzymów, potrafi budować tak fantastyczne struktury jak choćby białka i cukry. A wszystko to robi ze znakomitą wydajnością – mechaniczną i energetyczną. Czy można naśladować ten proces, wychodząc od atomów i cząstek?

W 1985 roku Harold Kroto (nawiasem mówiąc, o polskich korzeniach, bo jego dziadkowie pochodzili z Krotoszyna z Wielkopolski) oraz James R. Heath, Sean O’Brien, Robert Curl i Richard Smalley odkryli

w kosmosie – w świetle odległych gwiazd – niezwykłą

cząsteczkę węgla: C₆₀ (czyli złożoną z ₆₀ atomów), w której atomy ułożone są tak, że przypomina to piłkę futbolową. Kroto, Curl i Smalley za to odkrycie otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Nie pierwszy raz odkryto w kosmosie coś, czego wcześniej nie dostrzeżono na Ziemi (przypomnijmy, że hel został odnaleziony najpierw na Słońcu). Cząsteczkę C₆₀ oraz podobne C70, C120, C140 czy olbrzymy takie jak C540 nazwano fulerenami. Okazało się przy tym, że poza znanymi od dawna postaciami węgla – kryształkami grafitu, diamentu czy bezpostaciowej sadzy – istnieje w przyrodzie coś jeszcze. Przypomniano sobie nawet o przeoczonej pracy (1970) niejakiego Eiji Osawy z Toyohashi Uniwersity Technology, który przewidywał istnienie takich cząsteczek. Sama natomiast nazwa „fulereny” pochodzi od Richarda Buckmistnsera Fullera (1885-1983), amerykańskiego wizjonera, ekscentryka i wynalazcy. Wynalezione przez niego sposoby pokrywania dużych powierzchni, tzw. kopuły geodezyjne, przypominały odkrywcom C₆₀ te właśnie cząsteczki węgla.

Intrygujące wyniki doświadczeń odkrywców C₆₀ wywołały burzę mózgów wśród naukowców. Jaką strukturę przypisać sześćdziesięciu atomom węgla tworzącym klaster węglowy (klaster to skupisko atomów bądź nanocząstek, które można dziś otrzymać rozmaitymi metodami), którego istnienie i trwałość nie budziły już wątpliwości? Trzeba nam przy tym wspomnieć, że do lawinowego wzrostu zainteresowania tą nową dziedziną badań przyczyniło się odkrycie w połowie lat 80. skaningowego mikroskopu tunelowego. Dopiero dzięki temu aparatowi stało się możliwe obserwowanie poszczególnych atomów na powierzchni materiału. Rok 1990 poprzez odkrycie metod otrzymywania makroskopowych ilości fulerenów przyniósł ostateczne potwierdzenie budowy C₆₀. A czasopismo naukowe „Scence” uznało cząstkę C₆₀ „Cząsteczką Roku 1991”. Cóż zatem szczególnego jest w tej fulerenowej piłeczce? C₆₀ jest cząsteczką o najwyższej symetrii występującą w przyrodzie, jaką dziś znamy. Ta piłeczka węglowa ma budowę ściętego dwudziestościanu, zawierającego 32 ściany boczne, z których 12 stanowią pięciokąty foremne, pozostałe to sześciokąty foremne. Na wierzchołkach dwudziestościanu rozmieszczonych jest ₆₀ atomów węgla. Ogólnie rzecz biorąc, fulereny można zdefiniować jako sferyczne cząsteczki zbudowane wyłącznie z atomów węgla, których liczbę można wyrazić wzorem: C_20+2m. Stabilne fureleny zaczynają się od C₆₀, choć typologicznie najmniejszy jest C₂₀ i jest obiektem nietrwałym. Rodzina fulerenów natomiast rozciąga się od C₂₀ aż do fulerenów-gigantów zbudowanych nawet z tysięcy atomów. Fulereny-giganty, wielopowłokowe struktury zbudowane jedynie z atomów węgla, stanowią doskonałe obiekty badań teoretycznych. A przy tym są najbardziej stabilnymi strukturami klaserów węgla występującymi w przyrodzie i choć występują one też w naturze, np. w kondensującej sadzy, ich wydzielenie i oczyszczenie jest niezwykle trudne. Osobna sprawą jest ich kształt, wygląd bowiem fulerenów-giga zależy od kierunku ich obserwacji.

Struktura elektronowa fulerenów determinuje ich szczególne właściwości fizyczne, np. przewodnictwo elektryczne/nadprzewodnictwo, właściwości magnetyczne, optyczne, elastyczność, kohezję. Silne przewodnictwo elektryczne powoduje, że cząsteczki te są znakomitymi „akceptorami” elektronów. A ponadto, oprócz wysokiej stabilności chemicznej i odporności termicznej, wykazują nieliniowe zależności optyczne. Wszystko to zaledwie niektóre, bardziej charakterystyczne z ich cech. Krystaliczne formy fulerenów to fuleryty. A puste łuski w sieci krystalicznej fulerenów stwarzają szerokie możliwości umieszczania w nich obcych pierwiastków i związków chemicznych. Tak domieszkowanie heterogenicznie materiały zostały nazwane fulerydami. Otwiera się tu

przed nami cały obszar nanotechnologiczny tworzyw i włókien sztucznych, których budowa jest kontrolowana na poziomie cząstek. Ta polimeryzacja fulerenów, czyli kowalencyjne łączenie cząstek w większe agregaty molekularne, stwarza ogromne możliwości ich funkcjonalizacji. Pierwsze udane próby typu „bransoletki” uzyskano już w latach 90. Owa finezyjna nazwa odzwierciedla ściśle cechy charakterystyczne tych polimerów – cząsteczki fulerenu stanowią swego rodzaju „dekorację”, niczym kamień szlachetny w bransolecie łańcuszka polimeru. Szczególne zainteresowanie budzi dziś jednak tematyka metalofurelenów, gdy do wnętrza „klatki” fulerenu wprowadzana jest cząsteczka metalu, skutkiem czego uzyskuje się materiał o specyficznych i niespotykanych właściwościach. Duże nadzieje pokładane są też w polimerach przewodzących, stosowanych od polowy lat 90. jako diody elektroluminescencyjne. To właśnie za ich odkrycie Heeger, MacDiarmid i Shirakawa uhonorowani zostali w 2000 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii.

W zestawieniu tym, z konieczności wybiórczym, nie sposób jeszcze nie wspomnieć o fuleroidach. Wodór jest ostatnio uważany za paliwo przyszłości (por. „ekonomia wodorowa”). Główną przeszkodą ograniczającą jego zastosowanie jest brak ekonomicznych metod magazynowania. Nowe nanomaterialy węglowe natomiast dają tę szansę. Wykazano nawet ostatnio, że uwodorniona cząsteczka fulerenowa jest stabilniejsza niż czysty fuleren. Rysuje to niezmiernie ważny i bogaty obszar – uwodornione fulereny można będzie traktować jako nośniki, dosłownie: magazyny przechowywania wodoru.

Skonstatujmy zatem: pod pojęciem nanotechnologii rozumiemy dziś wytwarzanie materiałów, urządzeń i wszelkiego rodzaju systemów o niezmiernie małych rozmiarach. Cząsteczki użyte w nanotechnologii są nie tylko niewidzialne dla ludzkiego oka – ich wielkość ich oscyluje wokół 1^-100 nanometrów, ale są też niemierzalne przez większość tradycyjnych urządzeń pomiarowych. 1 nanometr (nm) to miliardowa (w nomenklaturze amerykańskiej bilionowa) część metra (dla porównania: ludzki włos ma średnicę ok. 80 tys. nm). Obiekty o wymiarach poniżej 100 nm przyjęto więc umownie uważać za należące do świata „nano”. Dodajmy przy tym, iż obszar atomowo-cząsteczkowy jest zwyczajowo wyrażany w angstremach (Ǻ), przy czym 1 nm = 10Ǻ. A przedrostek „nano”, od greckiego nanos, czyli „karzeł”, jest stosowany do określania owych indywiduów. Tu ciekawostka: już starożytni Rzymianie stosowali nanocząsteczki do produkcji szkła, oczywiście odbywało się to całkiem nieświadomie.

Ze wszystkich nanostruktur na szczególną uwagę zasługują dziś jednak najbardziej nanorurki węglowe, karbon natubes (CNTs). Są to włókniste struktury węglowe, praktycznie jednowymiarowe (w przekroju zwykle kilkadziesiąt atomów węgla) o długości kilku milimetrów. Odkryte w 1991 roku przez Japończyka Yumurę, przy okazji badań nad syntezą fulerenów, stały się rewelacją. Wyobraźmy sobie ograniczony fragment płaszczyzny grafitowej (dziś nazywany już grafenową), który stanowią atomy węgla tworzące jakby „plaster miodu”. W wyniku zwinięcia takiej skończonej płaszczyzny i połączenia jej „bez szwu” powstaje rurka grafenowa. Jeśli jej wymiar jest odpowiednio mały, nazywamy ją nanorurką węglową. Można właściwie powiedzieć, że nanorurki są młodszym rodzeństwem fulerenów i o bardzo zbliżonych warunkach ich otrzymywania. Fuleren C₆₀ jest – jak już wiemy – syntetyczną, przestrzenną nanorurką klatkową składającą się z 60 atomów węgla. Jeśli wprowadzimy dookoła „równika” cząstki C₆₀ 10 atomów węgla, powstanie nieco wydłużony fuleren C₇₀. Dodajmy kolejny pas 10 atomów węgla i zaczynamy tworzyć nanorurkę zawierającą już 80 atomów C, itd., itd.

Najbardziej charakterystyczne właściwości nanorurek węglowych wskazują zarazem na

obszary ich zastosowań:

całkiem nowe i mogące zmieniać właściwości elektronowe;
bardzo duży współczynnik sprężystości podłużnej i wytrzymałości mechanicznej na rozciąganie (kilkakrotnie większy od najlepszej stali);
najlepsza przewodność cieplna ze wszystkich dostępnych materiałów;
duża zdolność magazynowania innych struktur (m.in. wodoru);
specyficzna morfologia (duża powierzchnia właściwa);
ogromne zróżnicowanie – mogą być metaliczne lub półprzewodnikowe, co poszerza niezmiernie zakres ich zastosowań (wymieniamy zatem tylko te dziś najbardziej eksponowane: technologie elektronowe, materiały wysokiej, dobranej jakości oparte na czystych lub sfunkcjonalizowanych nanorurkach, m.in. tworzywa kompozytowe).

Podsumujmy zatem: nanostruktury stanowią dziedzinę badań interdyscyplinarnych obejmujące dziś zarówno fizykę, chemię, biologię, medycynę i inżynierię materiałową. Najogólniej mogą to być układy trójwymiarowe (3D), których przynajmniej jeden wymiar jest w obszarze poniżej 100 nm. Kolejny poziom to obiekty płaskie, tzw. nanowarstwy (2D), np. grafen. Przy redukcji dwóch wymiarów materii do skali nanometrowej otrzymujemy obiekty jednowymiarowe (1D), czyli nanodruty bądź nanorurki. Wreszcie istnieją też obiekty zerowymiarowe (0D), czyli struktury na poziomie kwantowym, np. „studnie” albo „kropki kwantowe” (ang. quantum dots), o czym szerzej w II części naszego „Wprowadzenia”.