Wiedza i Życie 10/2013
W numerze m.in.:
Krionika
Marzenia o nieśmiertelności; Kamil Nadolski
Neurologia
Gdy mózg rozwija się inaczej; Filip Rybakowski
Zoologia
Król bagien; Łukasz Łukasik
Historia
Młodzi, gniewni, genialni; Przemek Berg
Komunikacja społeczna
Polityka 2.0; Magdalena Nowicka  

W wilgotnym lesie południowej Afryki samiec wielkiego wija śpiewa samicy, by ją… rozwinąć. Ten niezwykły popis muzyczny zapewnia zdobycie wybranki, chociaż oboje są głusi jak pień.

Rzymianie uwielbiali bezwzględne zmagania na śmierć i życie. Wbrew pozorom nie była to tylko brutalna rozrywka, schlebiająca niskim instynktom plebsu.

Czy klimat ziemski się ociepla? Tak. Czy przyczyną tego ocieplenia jest działalność człowieka? Nie tylko, ale wiele wskazuje na to, że co najmniej od paru dekad to my odgrywamy w nim główną rolę. Czas przygotować się do życia w cieplejszym świecie.

Dotychczas opisywaliśmy otoczenie, posługując się czterema pojęciami – długością, szerokością, wysokością i czasem. Ostatnio, dzięki technice, coraz częściej postrzegany przez nas świat jest wzbogacony o elementy cyfrowe.

Aktualne numery
12/2017
11/2017
Kalendarium
Listopad
23
W 1980 r. w trzęsieniu ziemi z epicentrum pod Neapolem zginęło 2914 osób.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Wojciech Stępniowski | dodano: 2012-06-13
Węglowa nanorewolucja

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.

Wydawałoby 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 nanotechnologii, 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 wynikają z faktu, że w graficie atomy tworzą sześcioczłonowe pierścienie, połączone ze sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi tylko w jednej płaszczyźnie. Płaszczyzny te trzymają się wzajemnie za pomocą stosunkowo słabych oddziaływań elektrostatycznych, zwanych siłami van der Waalsa. W każdym ze wspomnianych sześcioczłonowych pierścieni znajduje się po sześć zdelokalizowanych 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 (tetraedr). 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

pintronika 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 (C60). 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 C60, 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. Dziś wiemy, że fullereny to cała rodzina struktur z co najmniej 60 atomów węgla, przy czym każda jest zbudowana z pierścieni 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 fotowoltaicznych. 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 lantanowce, 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.

Podążając tym tropem, inni naukowcy dowiedli, że węglowe "piłeczki" są rewelacyjnym materiałem do budowy urządzeń wykrywających gazy. Czujnik można skonstruować przez naniesienie fullerenów na blachę aluminiową. Wzrost lub spadek stężenia gazów jest zamieniany przez urządzenie na sygnał elektryczny. Taki czujnik jest wrażliwy np. na tlenek azotu (IV) - NO2 - 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 nanorurkami. 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 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 superkondensatory (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.