62424 WiZ7 028

Nanosilnik zbudowany przez naukowców z Universrty of Califomia w Berkeley to urządzenie NEMS. Na wielościennej nanorurce jest przyczepiony wirnik z łopatką. Nanometryczny mechanizm ma wymiary 300-krotnie mniejsze od średnicy ludzkiego włosa.

gazów było skuteczne, należy stosować bardzo wysokie ciśnienia. Wyniki dotychczasowych prac w tym zakresie nie są imponujące.Nanorurki węglowe można będzie prawdopodobnie stosować w ogniwach słonecznych, w których główną rolę grają związki organiczne. Wysoka ruchliwość nośników prądu w tych związkach sprawia, że fotonom łatwiej wybijać z nich elektrony. Skonstruowano już ogniwa słoneczne, w których nanorurki węglowe połączone są z polimerami przewodzącymi. Na styku tych dwóch materiałów wytwarza się pole elektryczne, które daje ogniwa o jeszcze lepszych właściwościach. Wysokowydajnymi i bardzo lekkimi ogniwami słonecznymi ze związków organicznych i nanorurek interesuje się NASA.

Ze względu na małą chemiczną reaktywność, duży stosunek długości do średnicy przekroju poprzecznego, mały opór elektryczny i stosunkowo prostą technologię wytwarzania, węglowe nanorurki przyciągają też uwagę badaczy zajmujących się polowymi źródłami elektronów. Naukowcy z Fryburga za pomocą metody CVD (Chemical Vapor Deposition - chemiczne osadzanie z fazy gazowej) uzyskali nanorurki, które mogą znaleźć zastosowanie w nowych generacjach lamp rentgenowskich i wyświetlaczy. Ponadto, zgodnie z informacjami z laboratoriów Philipsa, dzięki zastosowaniu nanorurek można uzyskać znacznie lepsze obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego.

Niedoceniany ojciec

Wyobraźmy sobie pojedynczą warstwę grafitu, z heksagonalnie rozmieszczonymi atomami węgla. To gra-fen, z którego zbudowany jest zarówno grafit, nanorurki węglowe (będące zwiniętymi warstwami grafenu), jak i fullereny (które uzyskuje się po wprowadzeniu do grafenu pierścieni pięcioczłonowych). Niby nic nadzwyczajnego, toteż ten niepozorny materiał długie lata traktowano po macoszemu mimo wielu niezwykle interesujących właściwości, postulowanych już w pracach sprzed ponad pół wieku. Jednak ze względu na ówczesne możliwości techniczne, dwuwymiarowe struktury - a taką postać ma grafen - były wówczas tematem wyłącznie badań teoretycznych.

Jeśli nanorurki węglowe, które są tylko jedną z wielu nanostruktur otrzymanych z grafenu, wykazują tak interesujące cechy i tyle potencjalnych zastosowań, czego można spodziewać się po grafenie, ich „ojcu”?

Jednymi z ciekawszych jego właściwości są zjawiska związane z transportem elektronów w dwuwymiarowej przestrzeni materiału. Rosyjski fizyk K. S. Novoselov zauważył, że elektrony w grafenie wykazują tzw. ruch drżący, dzięki czemu ładunek może być przenoszony na odległości rzędu mikrometrów bez rozpraszania. Zjawisko to może być niezwykle istotne dla elektroniki, zwłaszcza z uwagi na możliwość budowy ultraszybkich tranzystorów. W publikacjach naukowych coraz częściej sugeruje się, że grafen jest poważnym konkurentem dla półprzewodników obecnie stosowanych w elektronice. Koncerny takie jak Intel czy IBM już inwestują w badania nad grafenem.Grafen jest przezroczysty (zarówno dla promieniowania widzialnego, jak i podczerwonego), co w połączeniu z wyjątkowymi właściwościami związanymi z transportem

j

i

I

S

I

i

i

i

"WIEDZA I ŻYCIE PAŻ02IE8NIK 2008

Układ scalony oparty na grafenie skonstruowany przez naukowców z Georgia Institute of Technology we współpracy z francuskim Centre National de la Recherche Scientifique. Badacze prognozują, że takie układy elektroniczne - cieńsze niż 10 atomow - będą miały'Bardzo dużą wydajność i bardzo mały pobor energii. To nadzieja, aby nie załamało się prawo Moore'a.

elektronów czyni z niego materiał idealny do zastosowania wszędzie tam, gdzie potrzebne są przezroczyste elektrody. Niewykluczone, że wkrótce cienkie wyświetlacze lub ogniwa słoneczne będą miały elektrody wykonane właśnie z grafenu. Na razie wykorzystuje się w tym celu tlenek indowo-cynowy, ale złoża indu są ograniczone, a grafen ma po swojej stronie silnego sprzymierzeńca - ekonomię.Właściwości grafenu docenili badacze z Max Planck Institute, uznając, że jest on idealnym materiałem do budowy ogniw słonecznych i może być użyty w optoelektronice. Jednymi z pierwszych komercyjnych zastosowań grafenu będą najprawdopodobniej wyświetlacze ciekłokrystaliczne nowego typu. Grupa naukowców z University of Manchester, którzy w 2004 roku odkryli ten rewolucyjny materiał, uważa, że można dzięki niemu poprawić wytrzymałość i obniżyć koszty wytwarzania urządzeń, w których światło odgrywa kluczową rolę - a więc takich jak wspomniane wyświetlacze.

Fizycy Andre Geim i wspomniany Novoselov, obaj uznawani za guru w sprawach grafenu, opracowali metodę umożliwiającą uzyskanie przewodzących powłok, które z powodzeniem da się wykorzystać w produkcji wyświetlaczy. Mało skomplikowana procedura wytwarzania powłok (uzyskaną z grafitu zawiesinę grafenową natryskuje się na podłoże) powoduje, że koszty produkcji byłyby atrakcyjne dla przemysłu. Warto podkreślić, że metoda Geima i Novoselova pozwala na wytworzenie dużych powierzchni grafenowych, co było niemożliwe przy stosowaniu mało wysublimowanej (ale skutecznej w zdobywaniu materiału w ilościach potrzebnych w laboratorium) mechanicznej metody wytwarzania grafenu. Novoselov uważa, że pierwsze wyświetlacze ciekłokrystaliczne zbudowane dzięki technologii gra-fenowej pojawią się w sklepach już za kilka lat, a dodatkowym motorem napędzającym rozwój tych urządzeń będą rosnące ceny indu. Podobnie jak inne węglowe nanostruktury, grafen może być użyty do budowy czujników gazów. Mechanizm działania takiego sensora jest podobny do tego, w którym kluczową rolę odgrywają nanorurki. Cząsteczki gazu adsorbują na powierzchni grafenu, co zaburza rozkład ładunków i prowadzi do zmian w przewodzeniu prądu elektrycznego. Co ważne, grafen jest czuły m.in. na „cichego zabójcę”, czyli tlenek węgla (II) - CO. Nawet pojedyncza cząsteczka gazu potrafi tu wygenerować na tyle wyraźny sygnał, że jej obecność jest wykrywana przez czujnik. Lepszego czujnika nie da się już zrobić.

Fullereny, nanorurki i grafen są dla naukowców cenniejsze niż brylanty - paradoksalnie dzięki temu, że mogą być tanie. Nanostruktury węglowe są źródłem nowych zjawisk, a wiele nieznanych efektów z pewnością czeka jeszcze na odkrywców, którzy w przyszłości wymyślą dla nich nowatorskie zastosowania. To, co zaskakiwało wczoraj, dzisiaj jest podstawą działania nowych urządzeń, które jutro trafią na sklepowe półki, ułatwiając nam życie lub pomagając je ocalić. Dlatego biorąc ołówek do ręki, zastanówmy się, co tak naprawdę zostanie za chwilę na papierze.    C

►3 WOJCIECH STĘPNIOWSKI jest doktorantem na Wydziale Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Techniczną.

Lekkie, elastyczne i odporne na wstrząsy-takie mogą być obwody scalone dzięki umieszczeniu na plastikowym podłożu sied nanorurek. Takie układy, od małej do średniej skali integracji, zawierające około 100 tranzystorów, pmwtejAjri na University of Illinois. Przyszłe zastosowania to np. wyświetlacze papierowe czy miniaturowe czujniki medyczne.

PAŹDZIERNIK 2008 WIEDZA I ŻYCIE*

27