Izazovi suvremene znanosti / 2.
NANOMATERIJALI
Započnimo ovaj prikaz s jednom bizarnom činjenicom. Naime, 18. listopada 2011. godine Europska Komisija prihvatila je definiciju nanomaterijala u kojoj se kaže:
Nanomaterijali su prirodni, slučajno dobiveni ili proizvedeni materijali
koji sadrže čestice ili u vezanom stanju ili kao agregat ili aglomerat,
kod kojih jedna ili više vanjskih dimenzija spada u red veličine od jednog
do 100 nanometara.
Toliko o supernormiraoj, pretjerano normiranoj EU, u kojoj se i voće i povrće sortira i prodaje tek nakon prolaska kroz baždarna «oka» čime se, jasno, mijenja i cijena! Uzgred rečeno, ta i takva proizvodnja rezultira proizvodima veoma lijepima na izgled, ali mnogo puta potpuno bezukusnima! Ova usputna digresija, jasno, nema nikakve veze s nanomaterijalima koji su predmet ovog prikaza.
Nanomaterijali zbog svojih briljantnih svojstava zavređuju našu punu pozornost. A oni se uglavnom temelje na ugljiku. Ugljiku, koji se javlja u najmekšem i najtvrđem obliku. Grafit je najmekši, a dijamant najtvrđi! Godine 1985. grupa znanstvenika u kojoj su bili Richard Smalley, Robert Curl, James Heath, Sean O'Brian i Harold W. Kroto sa Sveučilišta Rice otkrivaju molekulu C60, za što su 1996. primili Nobelovu nagradu. Ova zanimljiva molekula ugljika nalik je nogometnoj lopti i nazvana je u čast arhitekta Fullera Buckminstera koji je dizajnirao geodetsku kupolu (nazivaju ju «Bucky-balls). Zatim su znanstvenici otkrili da, ovisno o broju ugljikovih atoma, mogu postojati strukture-lopte s više ali i manje atoma ugljika: 60, 70, 72, 74, dvije varijante po 76 atoma, a postoji i 5 varijanti sa po 78 atoma.
Fulleren ( u daljem tekstu fuleren) se počeo masovno proizvoditi nakon što su 1990. znanstvenici Kratschmer i Huffmann otkrili metodu dobivanja pomoću električnog luka. Osobito je veliki uspjeh bila pojava dopiranih fulerena koji imaju supravodljiva svojstva. Bilo je to 1991. godine, a dopiranje je obavljeno bilo s kalijem.
Iste godine japanski znanstvenik Sumio Ijima, koristeći se slikom dobivenom elektronskim mikroskopom, otkriva višestjenčane nanocjevčice ugljika. Bile su to MWCNT i DWCNT («multi wall carbon nanotube» i «double-wall carbon nanotube») s dimenzijama od 2-50 nm u promjeru. Dvije godine kasnije uspjela je sinteza jednostjenčane nanocjevčice («single-wall carbon nanotubes» - SWCNT).
Budući se nanocjevčice, taj čudesni suvremeni materijal, na višim temperaturama ponašaju superplastično (mogu se produljiti čak do 280%), uz istodono stanjivanje do oko 15 puta, one predstavljaju vrlo zanimljiiv materijal.
Navodimo vrste fulerena:
- buckyball grozdovi: molekula s najmanjim brojem je C20, a najuobičajenija je C60 - nanocjevčice: šuplje cijevčice veoma malih dimenzija, postoje one s jednostrukim zidom i one s višestrukim zidovima, a sve imaju mnoštvo aplikacija u elektroničkoj
industriji
- megacijevi: većeg su promjera od nanocjevčica i pripremljene za korištenje
transporta molekula raznih veličina
- polimeri: dvo i trodimenzionalni lanci polimera koji su izrađeni pri visokim
temperaturama i pritiscima
- nano «onioni»: čestice u obliku kuglica, zasnovane na višestrukim slojevima ugljika
okruženima jezgrom od buckyball strukture, predlažu se za aplikacije podmazivanja
- fulerenski prstenovi
Ugljične nanocjevčice već danas imaju široku lepezu korištenja. Godine 2007. ih je Politehnički institut Rensselear iskoristio u proizvodnji novih papirnih baterija, a osobito se velika ostvarenja očekuju na području svemirskih tehnologija i to u proizvodnji ugljične užadi ekstremne čvrstoće neophodnih za izradu svemirska dizala!
Ugljične nanočestice i proizvodi sazdani od njih prepoznatljivo odskaču u čvrstoći, tvrdoći, električnim, optičkim, termičkim i kinetičkim svojstvima.
Ovaj ćemo prikaz zaključiti opisom grafena, novog materijala kojeg su znanstvenici uspjeli sinetitizirati 2004. godine. Kod njega su odmah uočena izvaredna svojstva: grafen (graphene) je odličan vodič električne struje, topline, no ima vrlo visoko talište pa se zbog te činjenice može koristiti tamo gdje se silicij ne može. Povrh toga, grafen je jedan od do sada najtvrđih materijala. A kad je znanstvenicima s Berkeley laboratorija 2007. godine uspjelo pokazati da se grafen ponaša i kao poluvodič – uspjeh je bio potpun! Naime, oni su pokazali da se epitaksijalni sloj grafena položen na podlogu od silicijevog karbida zaista ponaša kao poluvodič!
I, šećer na kraju: K. S. Kim je sa svojim suradnicima relativno nedavno, početkom 2009. godine, uspio proizvesti tanku foliju grafena koja se može savijati, a da pri tome savijanje uopće ne utječe na optička i vodljiva svojstva! Praktički, dobio se materijal neslućenih mogućnosti. Pun pogodak za ekrane mobitela ili televizijskih prijemnika no i bezbroj drugih aplikacija!