WiZ5 026

Buckyball - fulleren -a Podążając tym tropem, inni naukowcy dowiedli, że w formie kulistej węglowe „piłeczki” są rewelacyjnym materiałem do bu-klatki - może dowy urządzeń wykrywających gazy. Czujnik można posłużyć jako    skonstruować przez naniesienie fullerenów na blachę

„pudełko" na inne aluminiową. Wzrost lub spadek stężenia gazów jest za-pierwiastki. mieniany przez urządzenie na sygnał elektryczny. Taki czujnik jest wrażliwy np. na tlenek azotu (IV) - N0₂ - czyli gaz cieplarniany, będący ponadto jedną z głównych przyczyn kwaśnych deszczy. Monitorowanie obecności tego związku w powietrzu ma kluczowe znaczenie w ekologii.

Jak zgubić dwa wymiary?

W ostatnich kilkunastu latach furorę robią jednowymiarowe nanostruktury węglowe, zwane nanorurka-mi. Ich odkrycie przypisuje się japońskiemu naukowcowi z Tsukuby, Sumio Iijimie, który w 1991 roku opublikował fotografie z wysokorozdzielczego elektronowego mikroskopu transmisyjnego (HR TEM -High Resolution Transmission Electron Microscopy). Na zdjęciach widać było rurki, których stosunek długości do średnicy był wręcz niewyobrażalnie wielki, tak ogromny, że można było je traktować jako obiekty jednowymiarowe.

Podobnie jak grafit, nanorurki węglowe są zbudowane z pierścieni heksagonalnych, a każdy z tworzących je atomów węgla ma jeden wolny elektron. W efekcie są w stanie w zależności od budowy przewodzić prąd elektryczny jak metale lub zachowywać się jak półprzewodniki. Właściwości te zostały wykorzystane do budowy jednych z pierwszych tranzystorów o rozmiarach nanometrów. To rozwiązanie niezwykle

"WIEDZA I ŻYCIE PAŹDZIERNIK 2008

atrakcyjne dla przemysłu elektronicznego, ponieważ z tranzystorów składają się bramki logiczne procesorów i układów pamięci.

Przez tranzystory współczesnych komputerów muszą płynąć ogromne liczby elektronów. Gdyby ograniczyć ich liczbę do pojedynczych elektronów, komputery mogłyby pracować znacznie szybciej. Dlatego naukowcy z holenderskiego uniwersytetu w Delft zbudowali tranzystor z nanorurki węglowej, który do zmiany swego stanu potrzebuje tylko... jednego elektronu! Co ciekawe, elektron ten, po przejściu przez nanorurkowy tranzystor, utrzymuje swój początkowy stan kwantowy. Jest to efekt, którego nie obserwuje się w zwykłych obwodach elektronicznych.

Z nanorurek węglowych buduje się również super-kondensatory (kondensator o niezwykle duże pojemności elektrycznej i krótkim czasie ładowania w porównaniu ze zwykłymi kondensatorami). Dzięki właściwościom elektrycznym i dużej powierzchni w stosunku do masy nanorurkowe elektrody są bardzo wydajne. Ponadto taki superkondensator potrafi bez uszczerbku przetrwać 2 tys. cykli ładowania-rozładowania.

Już w 1999 roku naukowcy z Georgia Institute of Technology wykorzystali węglowe nanorurki jako czujniki do wykrywania i monitorowania obecności różnego typu cząsteczek. Zmierzyli częstotliwość drgań pustej nanorurki, następnie przyczepili do jej jednego końca badaną cząsteczkę i dokonali drugiego pomiaru. Porów-    s

nanie obu zarejestrowanych częstotliwości pozwoliło g stwierdzić, czy nanorurka drga swobodnie, czy też coś i się do niej przyczepiło. Czujnik o tak prostej - a więc | niezawodnej - konstrukcji mógłby być wykorzystany £

Ta przypominająca siatkę ogrodzeniową struktura to model komputerowy grafenu, pojedynczej warstwy grafitu, jednego z najbardziej przyszłościowych materiałów.

w medycynie, np. do monitorowania poziomu cukru we krwi u chorych na cukrzycę.

Nanorurki, podobnie jak fullereny, można też wykorzystać jako nanoczujniki, do monitorowania stężenia ditlenku azotu w powietrzu. Jednościenną nanorurkę węglową przyczepiono do dwóch elektrod, którymi były niewielkie złote i tytanowe bloczki. Zauważono, że w obecności ditlenku azotu, przy stężeniu tego związku w powietrzu wynoszącym około 200 ppm, przewodnictwo elektryczne nanorurki węglowej zmienia się nawet tysiąckrotnie. W ten sposób można skonstruować urządzenia do monitorowania procesu redukcji tlenków azotu za pomocą amoniaku, gdzie produktem jest cząsteczkowy azot. Czujnik taki działałby w temperaturze pokojowej, podczas gdy obecne do uzyskania satysfakcjonującej czułości wymagają temperatury rzędu 600 °C.

Silnik na łebku szpilki

Świętym Graalem badaczy zajmujących się nanotechno-logią są urządzenia NEMS (Nanoelectromechanical Systems), czyli nanometryczne układy elektromechaniczne. Przykładem jest nanosilnik o wymiarach 300-krot-nie mniejszych od średnicy ludzkiego włosa, stworzony przez naukowców z University of Califomia w Berkeley w Kalifornii (ta sama grupa 15 lat wcześniej zbudowała pierwsze urządzenie o rozmiarach mikrometrów, czyli MEMS). Nanosilnik to dowód, że strukturami o rozmiarach nanometrów można manipulować i tworzyć z nich urządzenia. Naukowcy z Berkeley zbudowali już pierwszy nanometryczny mechanizm, do którego można podpiąć zewnętrzne przewody i nim sterować. Naj

pierw wytworzyli wielościenne nanorurki

i osadzili je na krzemowym podłożu. Do nanorurek przyczepili złoty wirnik i łopatkę, a węglową część silnika otoczyli elektrodami. Konstruktorzy uważają, że wkrótce będą potrafili zmniejszyć rozmiary takiego nano-układu nawet pięciokrotnie. Przy okazji zauważono, że z powodu odmiennych praw fizyki dominujących w skali nanometrów, po odłączeniu zasilania nanosilnik przestaje się obracać praktycznie natychmiast.

Może mniej spektakularne, ale równie ważne jest odkrycie, że nanorurki węglowe nadają się do magazynowania wodoru. Problem jest istotny, bo wodór, z powodu niewielkich rozmiarów cząsteczki i wybuchowych właściwości, niezwykle trudno magazynować, a jest to warunkiem wykorzystania tego gazu w przemyśle motoryzacyjnym. Naukowcy z Savannah River Site przekonują, że nanorurki wypełnione wewnątrz metalami przejściowymi mogą pełnić funkcję najmniejszych pojemników na wodór i inne gazy - szlachetne, jak np. ksenon czy argon, lub na węglowodory, takie jak metan, etan czy etylen. Zaletą tego sposobu przechowywania byłaby mała masa pojemnika, łatwy transport i bezpieczeństwo. Niestety, aby magazynowanie

Wielościenna nanorurka. Nanorurki to właściwie zwinięty graf en. Ponieważ mają bardzo duży stosunek długości do grubośa, uważa się jej za twory jednowymiarowe.

PAŻOZIEf

ANIK 2008 WIEDZA I ŻYCIE"

25