74448 WiZ3 024

temat miesiąca_;

‘węgiel

W 1996 roku Noblem nagrodzono odkrycie fullerenów, a we wrześniu tego roku nagrodę Europejskiego Towarzystwa Fizycznego, której laureaci zostają często później noblistami, otrzymali Andre Geim i Kostya Novoselov z University of Manchester za wyizolowanie i opisanie wyjątkowych własności grafenu.

3 WOJCIECH

G LOWA

_v REWOLUCJA

Rodzaj fullerenu -nanorurka z kulistym zakończeniem. Najcieńsza możliwa nanorurka ma zaledwie 1,38 nm grubości. Tyle potrzeba, aby mogły ją z obu stron zamknąć połówki fullerenu C*,.

WYDAWhłOBY SIĘ, że coś, co znamy i z czego korzystamy od dawna, już niczym nas nie zaskoczy. Jednak węgiel zaskakuje coraz bardziej, a naukowcy za jego badania zbierają najbardziej prestiżowe nagrody. Największą karierę odmiany węgla robią w nanotech-nologii, do niedawna zaledwie jednym z tematów powieści science fiction, która powoli staje się rzeczywistością.

Co powoduje, że węgiel raz przyjmuje postać twardego diamentu, a kiedy indziej miękkiego grafitu, raz jest dobrym materiałem na elektrody, a innym razem świetnie się sprawdza jako izolator? Wszystko zależy od rozmieszczenia atomów w sieci krystalicznej, którego konsekwencją są różne właściwości pierwiastka. Zjawisko to nazywa się alotropią.

Najbardziej znanymi odmianami alotropowymi węgla są grafit i diament, dwa materiały o zupełnie odmiennych cechach.

Grafit - w przeciwieństwie do diamentu - jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego, ponadto jest miękki. Diament to izolator i jeden z najtwardszych materiałów w przyrodzie. Różnice wyni-

z faktu, że w graficie atomy tworzą sześcioczłonowe pierścienie, połączone ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi tylko w jednej płaszczyźnie. Płaszczyzny te trzyma-się wzajemnie za pomocą stosunkowo słabych ziaływań elektrostatycznych, zwanych siłami van der Waalsa. W każdym ze wspomnianych sześcioczło-nowych pierścieni znajduje się po sześć zdelokalizo-wanych elektronów, dzięki czemu grafit bardzo dobrze przewodzi prąd elektryczny i jest często stosowany jako materiał do budowy elektrod.

Diament ma zupełnie inną budowę. Ta fenomenalnie twarda odmiana węgla powstaje dzięki silnym wiązaniom kowalencyjnym, które łączą każdy atom węgla z czteroma innymi. Jego podstawową „cegiełką” - komórką sieci krystalicznej - jest czworościan foremny (te traedr). W strukturze tej nie pojawiają się wolne elektrony, dlatego diament jest dla prądu elektrycznego izolatorem. Jest jednak dobrym przewodnikiem ciepła.

Zarówno diament, jak i grafit znano od czasów starożytnych i wydawało się, że nie są już nas w stanie niczym zaskoczyć. Okazało się, że nic bardziej mylnego!

Prawdopodobnie najbardziej przełomowym zastosowaniem diamentu może okazać się spintronika, następczyni elektroniki, w której zamiast prądów elektrycznych wykorzystuje się prądy magnetyczne.

Jak wiadomo, elektrony mają niezerowy spin, cechę kwantową związaną z obrotami i odpowiedzialną za własności magnetyczne. Elektron, w uproszczeniu, przypomina bąk, który może wirować w jedną lub drugą stronę. Z obu kierunkami wirowania jest związane pole magnetyczne o przeciwnych orientacjach. Można im przyporządkować wartości logiczne „0” oraz „1” i w ten sposób wykorzystać spin do przenoszenia informacji. Jeśli komórka elementarna diamentu zostanie zmodyfikowana tak, że jeden atom węgla zastąpi atom azotu, a sąsiadujący z nim kolejny atom węgla się usunie (co doprowadzi do powstania luki), tak zmodyfikowany diament przestanie być izolatorem, a stanie się półprzewodnikiem o fantastycznych właściwościach, doskonałym materiałem do wykorzystania w urządzeniach spinotronicznych pracujących w temperaturze pokojowej.

Piłeczki z potencjałem

Spintronika to nie tylko węgiel. W latach 80. amerykańscy naukowcy prowadzili badania związane z laserowym odparowywaniem materiałów półprzewodnikowych. Rezultaty okazały się szczególnie interesujące w przypadku grafitu. Najpierw zauważono, że daje on produkty w formie struktur zbudowanych z kilkunastu atomów. Okazało się, że za każdym razem odparowywany grafit samoorganizował się w konfiguracje bardziej złożone, przy czym w szczególnie dużej liczbie występowały kompleksy zbudowane z 60 atomów węgla (CJ. Pojawiło się pytanie o strukturę takiego tworu.

Tajemnicze układy atomów węgla przypominały ścięty dwudziestościan foremny, zbudowany z pierścieni pięcio- i sześcioczłonowych, ułożonych tak, że przypominają tradycyjną piłkę do futbolu. Struktura ta, podobnie jak piłka, jest w środku pusta. Odkrywca, Harold Kroto (mający polskie korzenie), nazwał tę strukturę fullerenem, na cześć Richarda B. Fullera, amerykańskiego architekta i filozofa, wynalazcy kopuł geodezyjnych (właśnie one zainspirowały Kroto do zaproponowania takiej, a nie innej budowy przestrzennej Cg,,, potwierdzonej doświadczalnie dopiero po paru latach). Odkrycie fullerenów nastąpiło w 1985 roku, a już 11 lat później (to w przypadku tej nagrody niezbyt długi czas oczekiwania) naukowcy zostali uhonorowani za swoje dzieło Nagrodą Nobla. V ^    4

Dziś wiemy, że fullereny to cała rodzina    £ ⁱ

struktur z co najmniej 60 atomów węgla, przy czym każda jest zbudowana z pierśde- ^    *

ni pięcio- i sześcioczłonowych. Właściwości fizykochemiczne fullerenu C₆₀ sprawiły, że jest on interesującym materiałem do wykorzystania w energetyce. Absorbuje bowiem światło widzialne w całym zakresie widma, może więc znaleźć zastosowanie w budowie ogniw fo-towoltaicznych.Ponieważ fullereny są puste w środku, zaczęto się zastanawiać, czy nie można by w tę pustkę czegoś włożyć. Okazało się, że mieszczą się w nich lan-tanowce, a nawet aktynowce. Badania pozwoliły stwierdzić, że takie „klatki” z pierwiastkami w środku mają interesujące właściwości. Eksperymenty miały jednak charakter czysto poznawczy, ponieważ wytwarzanie takich „uwięzionych” pierwiastków jest bardzo kosztowne.

Na razie trudno więc liczyć na zastosowanie takich materiałów na większą skalę.

Od odkrycia węglowych „piłeczek” upłynęło już ponad 20 lat, a my wciąż czekamy na praktyczne zastosowanie tego materiału. W przeglądowej pracy naukowców z University of Dayton i Honda Research Institute zamieszczono ciekawe propozycje związane z fullerenem C₆₀.

Można go wykorzystać na przykład jako główny element czujnika wilgotności. Woda, adsorbując na węglowych strukturach, zmienia częstotliwość rezonansu kwarcowego elementu.

Czujnik działa bardzo sprawnie, a dodatkową jego zaletą jest bardzo krótki czas odpowiedzi (poniżej jednej sekundy). Ponieważ jest to jeden z istotniejszych parametrów czujników, decyduje on o przewadze fullerenowo--kwarcowych czujników wilgotności powietrza nad konkurencją. .3

Formy alotropowe węgla - diament, fullereny, karbyn, grafit i grafen - mają różne właśdwośd i nadają się do zupełnie odmiennych

"WIEDZA I ŻYCIE PAŹDZIERNIK 2008

*

PAŹDZIERNIK 2008 WIEDZA I ŻYCIE".......

23

22