nauki ścisłe
Autor: ak | dodano: 2015-09-29
Wulkany i... nanotechnologia

Fot. BE&W

 

Wulkany i... nanotechnologia

 

W ciągu roku z głębi Ziemi trafia na jej powierzchnię średnio około miliarda ton lawy i popiołów – a to tylko część materiału produkowanego przez wulkany. Materiału, który ostatnio przyciąga coraz większą uwagę nanotechnologów.

 

Jacek Tyczkowski

 

Określenie nanotechnologia jest dość powszechnie nadużywane i powtarzane jak mantra, szczególnie wówczas, gdy ktoś chce przekonać potencjalnych sponsorów badań o nowoczesności i wysokim zaawansowaniu proponowanej tematyki, która tak naprawdę bardzo często nie ma nic wspólnego z tą dziedziną wiedzy. Czym więc jest ta prawdziwa nanotechnologia? Najogólniej rzecz ujmując, bada ona i stara się wykorzystać w praktyce fenomen niezwykłych zjawisk, które pojawiają się w skali nanometrycznej (a więc w skali rzędu milionowych części milimetra). Cząstka złożona z kilkuset atomów złota zachowuje się zupełnie inaczej niż pojedynczy atom tego pierwiastka i również zupełnie inaczej niż makroskopowa bryłka złota. Wbrew nie tak dawnym przekonaniom chemików co do tego, że złoto nie wykazuje żadnej aktywności katalitycznej, jego klastry o rozmiarach nie większych niż kilka nanometrów fantastycznie sprawdzają się jako katalizatory w rozmaitych reakcjach chemicznych.

Nanotechnologia to jednak nie tylko maleńkie elementy o zadziwiających właściwościach, lecz także procesy odbywające się w mikroskopijnych, nanometrowych objętościach – zupełnie inne od analogicznych zachodzących w szklanej kolbie czy reaktorze przemysłowym. To ciekawe, ale reakcje, których nie jesteśmy w stanie przeprowadzić w dużej skali, potrafią czasami zachodzić ze znaczną wydajnością w nanoprzestrzeniach, np. w niektórych wariantach słynnej reakcji Suzuki, wyróżnionej w 2010 r. Nagrodą Nobla.

 

Od lawy do biomedycyny

 

Pomysł zastosowania nanotechnologii w biomedycynie budzi wielkie nadzieje. Aby dostarczyć w określone miejsce organizmu czynnik diagnostyczny albo lekarstwo, wystarczy odrobinę takiego składnika połączyć z małą cząstką materiału magnetycznego, która w odpowiednio ukierunkowanym zewnętrznym polu magnetycznym przeniesie nam ładunek tam, gdzie chcemy. Wstrzykując do organizmu tak skonstruowane nanocząstki, można przeprowadzić diagnostykę czy też dokonać leczenia jedynie w wybranym rejonie naszego ciała, nie narażając innych jego części na niepotrzebne działanie wprowadzonych składników. Prawda, że proste?

Nanocząstki magnetyczne można też stosować w terapii nowotworowej. Po umiejscowieniu w nowotworze, pod wpływem przemiennego pola magnetycznego o wysokiej częstotliwości nagrzewają się one (zazwyczaj do temperatury 41–48ºC), uśmiercając otaczające, zmienione chorobowo komórki. Metoda ta jest obecnie dość intensywnie badana. Zasadniczy problem polega jednak na wytworzeniu w miarę takich samych, maleńkich magnetycznych cząstek, całkowicie nieszkodliwych dla organizmu, a przy tym dających się jak najprościej i jak najtaniej produkować.

Jeśli chodzi o wybór odpowiedniego materiału magnetycznego, dającego się zastosować w onkologii, kandydatem numer jeden są tlenki żelaza. Charakteryzują się one z jednej strony silnymi właściwościami magnetycznymi, z drugiej są nietoksyczne, a zawarte w nich żelazo zostaje wykorzystane przez organizm. Tylko jak łatwo i tanio otrzymać je w postaci nanocząstek? Znane i stosowane do tej pory metody są dość skomplikowane (np. termiczna dekompozycja metaloorganicznych związków), wymagają szeregu kolejnych procesów, odpowiedniego oczyszczania produktu, a co najistotniejsze – uzyskiwane są jedynie na niewielką, laboratoryjną na razie, skalę.

Rok temu na oryginalny pomysł wytwarzania nanocząstek wpadł zespół kierowany przez dr. Martineza-Boubete z Universitat de Barcelona. Wykorzystano fakt, że skały wylewne, takie jak bazalt, zawierają tlenki żelaza i wykazują dobre właściwości magnetyczne. Materiału tego jest pod dostatkiem, wystarczy tylko rozdrobnić go do rozmiarów nanometrowych. Do badań wybrano bazalt pochodzący z erupcji wulkanu Timanfaya na wyspie Lanzarote (Wyspy Kanaryjskie), do której doszło w latach 1730–1736. Aby z tej litej skały wytworzyć nanocząstki, zastosowano dwie metody – „z dołu do góry” (bottom-up) i „z góry do dołu” (top-down). Na tych metodach opiera się w zasadzie cała nanotechnologia. Na czym polegają?

„Z dołu do góry” to budowanie nanocząstek z pojedynczych atomów lub cząsteczek chemicznych składanych ze sobą jedna po drugiej aż do momentu uzyskania cząstki o określonym rozmiarze. W przypadku bazaltu z Lanzarote najpierw trzeba go stopić, a następnie przeprowadzić w stan pary w odpowiednim reaktorze. Parę bazaltu kieruje się w strumieniu argonu w zimny obszar reaktora, gdzie kondensuje do postaci maleńkich ziarenek. Odpowiednie dobranie parametrów procesu pozwala uzyskać nanocząstki o prawie jednakowych rozmiarach, o średnicy około 80 nm. W zastosowanym reaktorze (tu ciekawostka – zasilanym skoncentrowaną energią słoneczną) można wyprodukować gram bazaltowego nanoproszku na godzinę.

Metoda „z góry do dołu” polega na pomniejszaniu dużych, makroskopowych obiektów za pomocą mniej lub bardziej skomplikowanych metod, aż do momentu, gdy powstaną nanometrowe drobiny. Bryłę bazaltu po prostu się mieli. Stosując młyn kulowy i odpowiednio dobrany proces mielenia, po 100 godz. otrzymuje się prawie jednakowe cząstki bazaltu o średnicy około 30 nm.

Badania właściwości magnetycznych bazaltowych nanoziaren przyniosły zaskakujące wyniki. Po pierwsze okazało się, że znacznie lepsze są nanoziarna uzyskane metodą „z góry do dołu”. Zapewne zachowana zostaje w tym przypadku naturalna, specyficzna nanostruktura bazaltu, która jest całkowicie niszczona podczas przeprowadzania go w stan pary w procesie „z dołu do góry”. Ale nie to jest tu najciekawsze! Otóż nanoziarna bazaltu, i to bez względu na sposób ich otrzymania, wykazują znacznie lepsze właściwości magnetyczne niż macierzysta lita skała. Przypuszcza się, że nanoziarna stanowią pojedyncze izolowane domeny magnetyczne, które zachowują się zupełnie inaczej niż wtedy, gdy leżą jedna przy drugiej w dużej masie materiału. Badania nad tym zjawiskiem, nazywanym superparamagnetyzmem, ciągle trwają. W każdym razie to kolejny przykład „fenomenu” nanoskali.

 

Naturalne nanokatalizatory

 

Od czasu odkrycia na początku lat 80. nanowłókien węglowych, które tworzyły się na maleńkich ziarenkach metali (np. żelaza) w atmosferze węglowodorów w bardzo wysokiej temperaturze, świat nieprzerwanie interesuje się nimi, proponując coraz to inne ich zastosowania. Dzisiaj już wiemy, że nanowłókna te miały strukturę tzw. wielościennych nanorurek węglowych. Dziesięć lat później odkryto nanorurki jednościenne. Znamy też kilka innych struktur nanowłókien. Wszystkie mają wspólną cechę – zbudowane są z mniej lub bardziej precyzyjnie zwiniętych płaszczyzn grafenowych. Ponieważ te węglowe struktury mają zaskakujące właściwości elektryczne, mechaniczne i katalityczne, nie dziwi ogromne zainteresowanie nimi oraz dążenie do wytwarzania ich na dużą skalę, oczywiście możliwie najtaniej. No właśnie – i z tym jest problem! Metody wytwarzania nanoziaren metali pełniących rolę katalizatora wzrostu nanowłókien węglowych są skomplikowane, kosztowne i ciągle jeszcze daleko im do powszechnego zastosowania na skalę przemysłową. I tu znowu z pomocą przyszła natura, a dokładniej... wulkany!

W czerwcu 2003 r. byłem na Sycylii i przyglądałem się pomrukującej jeszcze Etnie po jej potężnej erupcji sprzed kilku miesięcy, kiedy to wyrzucała z siebie ogromne ilości materiału wulkanicznego. Samej lawy podczas tej erupcji wylało się około 10–11 mln m3. Kiedy tam byłem, lawa już zastygła, wziąłem więc sobie kawałek na pamiątkę. Kawałki tej samej lawy zebrał też dr Dang Sheng Su z Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft w Berlinie, by sprawdzić, czy może udałoby się wykorzystać obecne w niej żelazo jako katalizator do produkcji nanowłókien węglowych. Czasami na pozór szalone pomysły prowadzą do rewelacyjnych wyników. Tak też było w tym przypadku.

Rozdrobnioną lawę o grudkach nie większych niż pół milimetra włożono do rury kwarcowej, przez którą przepuszczano wodór. Całość ogrzano do temperatury 700ºC. Proces ten miał na celu zredukowanie tlenków żelaza do metalicznego żelaza. Na powierzchni grudek lawy pojawiły się nanoziarna czystego żelaza, dokładnie takie, jakie są potrzebne do przeprowadzenia syntezy nanowłókien węglowych. Teraz, nie przerywając prowadzonego procesu, do strumienia wodoru dodano etylen. Po dwóch godzinach stwierdzono, że grudki lawy pokryły się węglowymi nanowłóknami o formie wielościennych nanorurek. Na 0,2 g rozdrobnionej lawy nałożono w ten sposób 1,05 g nanorurek. Metoda okazała się więc stosunkowo prosta i… tania. Można ją też bez większych problemów zastosować w dużej hali produkcyjnej.

Zespół dr. Su postanowił pójść dalej i sprawdzić właściwości katalityczne tak otrzymanego nanomateriału węglowego. Okazało się, że jest on lepszym katalizatorem od analogów wytwarzanych innymi metodami. Badania przeprowadzono dla dwóch reakcji, bardzo istotnych z punktu widzenia gospodarczego: odwodornienia etylobenzenu do styrenu oraz odwodornienia 1-butenu do 1,3-butadienu. Styren i 1,3-butadien to ważne substraty do wielkotonażowej produkcji tworzyw sztucznych. W obydwu przypadkach szybkości reakcji były największe przy zastosowaniu nanorurek węglowych wytworzonych na lawie, w porównaniu z innymi nanorurkami, uzyskanymi znacznie droższymi metodami przez takie firmy jak Applied Sciences czy Bayer Materials.

Możliwość utworzenia nanorurek węglowych na żelazie zawartym w lawie nasunęła jeszcze jeden pomysł. A może już w samym wulkanie, gdzie panuje wysoka temperatura, a w gazach obecny jest wodór i węglowodory, dochodzi do produkcji nanowłókien węglowych? Na razie ich nie znaleziono, ale też nie szukano zbyt wnikliwie. Teraz poszukiwania nabrały rozmachu.

 

Szkło wulkaniczne

 

Krawędzie wypływających jęzorów lawy stygną zazwyczaj znacznie szybciej niż cała reszta. To gwałtowne zestalenie uniemożliwia utworzenie struktury krystalicznej, co sprawia, że powstaje materiał podobny do szkła, tzw. szkliwo wulkaniczne. Jednym z najlepiej znanych szkliw wulkanicznych jest obsydian – na ogół czarna szklista skała zbudowana głównie z krzemu i tlenu (razem stanowią ponad 85% wszystkich atomów budujących ten materiał). Resztę tworzą glin, sód, potas, żelazo, magnez i wiele innych pierwiastków w śladowych ilościach, np. bar, tytan, mangan, a niekiedy nawet tor. Dodatki te potrafią zmienić barwę szkliwa, czasami więc staje się ono oliwkowe, pomarańczowe, złociste. Różnokolorowe wtręty przybierają formę pasiastą, wstęgową lub też plamistych wykwitów.

Niezwykłe właściwości ­obsydianu – wyjątkową łupliwość dającą materiał o bardzo ostrych krawędziach i jednocześnie jego dużą twardość – wykorzystywano już w epoce dolnego paleolitu, kiedy to około 700 tys. lat temu wyrabiano z niego topory i tłuki znane chociażby z wykopalisk w rejonie Karandusi w Kenii. Rytualne noże, groty do strzał i włóczni, a nawet zwierciadła z obsydianu służyły Majom i Aztekom. Dzisiaj ich potomkowie używają go do wyrobu rozmaitych ozdób i rzeźb sprzedawanych potem na straganach. Z obsydianu robi się też... ostrza lancetów! Z powodzeniem stosowano je w operacjach chirurgicznych tak precyzyjnych jak operacje oka. Ostrze lancetu z obsydianu jest kilkaset razy ostrzejsze i gładsze od odpowiednika wykonanego z najwyższej jakości stali. Jest też kilka razy lepsze od ostrza diamentowego. Szerokość jego krawędzi ma zaledwie 3 nm grubości!

Może się wydać dziwne, ale dopiero kilka lat temu zaczęto zgłębiać tajemnicę obsydianu, licząc na sztuczne stworzenie podobnego materiału. Początkowo sądzono, że trzeba tylko odpowiednio dobrać skład pierwiastkowy szkliwa. Szybko się jednak okazało, że sprawa jest bardziej skomplikowana. Przetopiony obsydian tracił swoje niezwykłe właściwości i zachowywał się podobnie do typowego szkła. Po uderzeniu pojawiały się głębokie promieniste pęknięcia, inaczej niż w przypadku dziewiczego szkliwa, gdzie dochodziło jedynie do odkruszenia cieniutkiej łuski materiału.

Tajemnica leżała zatem gdzieś głębiej, w strukturze materiału. Postanowił ją rozszyfrować zespół kierowany przez dr. Dorfmana z Clarkson University w Potsdamie (USA), zaprzęgając do pracy całą gamę wyrafinowanych technik umożliwiających zobaczenie tego, co dzieje się na poziomie nanoskali. Wysiłek się opłacił. Okazało się, że w materiale występuje rozbudowana, przestrzenna sieć inkluzji o rozmiarach nanometrowych, które swoją budową chemiczną różnią się od reszty materiału tylko jednym – zawierają około dwa razy mniej tlenu. Prawdopodobnie to właśnie ta specyficzna nanostruktura odpowiada za niezwykłe właściwości mechaniczne obsydianu. Uderzając silnie ostrym narzędziem w powierzchnię szkliwa, odwarstwienie łuski materiału zachodzi właśnie po sieci inkluzji. Niełatwo jednak będzie odtworzyć w laboratorium podobne szkliwo. Chyba że Hefajstos i Wulkan uchylą rąbka swojej tajemniczej technologii. A może kiedyś pozwolą nam poznać jeszcze inne swoje nanotechnologiczne sekrety?

 

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie” 10/2015

 

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 10/2015 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
01/2020
12/2019
Kalendarium
Styczeń
19
W 1965 r. rozpoczęła się bezzałogowa amerykańska misja kosmiczna Gemini 2.
Warto przeczytać
Michael Hebb to współtwórca popularnego na Zachodzie ruchu, w ramach którego ludzie, znajomi lub nieznajomi, spotykają się przy stole, by porozmawiać o śmierci. Tak jak o życiu, normalnie. Gdybyś mógł przedłużyć swoje życie, to o jak długo? Jak wygląda dobra śmierć? Jak chciałbyś być wspominany?

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: ak | dodano: 2015-09-29
Wulkany i... nanotechnologia

Fot. BE&W

 

Wulkany i... nanotechnologia

 

W ciągu roku z głębi Ziemi trafia na jej powierzchnię średnio około miliarda ton lawy i popiołów – a to tylko część materiału produkowanego przez wulkany. Materiału, który ostatnio przyciąga coraz większą uwagę nanotechnologów.

 

Jacek Tyczkowski

 

Określenie nanotechnologia jest dość powszechnie nadużywane i powtarzane jak mantra, szczególnie wówczas, gdy ktoś chce przekonać potencjalnych sponsorów badań o nowoczesności i wysokim zaawansowaniu proponowanej tematyki, która tak naprawdę bardzo często nie ma nic wspólnego z tą dziedziną wiedzy. Czym więc jest ta prawdziwa nanotechnologia? Najogólniej rzecz ujmując, bada ona i stara się wykorzystać w praktyce fenomen niezwykłych zjawisk, które pojawiają się w skali nanometrycznej (a więc w skali rzędu milionowych części milimetra). Cząstka złożona z kilkuset atomów złota zachowuje się zupełnie inaczej niż pojedynczy atom tego pierwiastka i również zupełnie inaczej niż makroskopowa bryłka złota. Wbrew nie tak dawnym przekonaniom chemików co do tego, że złoto nie wykazuje żadnej aktywności katalitycznej, jego klastry o rozmiarach nie większych niż kilka nanometrów fantastycznie sprawdzają się jako katalizatory w rozmaitych reakcjach chemicznych.

Nanotechnologia to jednak nie tylko maleńkie elementy o zadziwiających właściwościach, lecz także procesy odbywające się w mikroskopijnych, nanometrowych objętościach – zupełnie inne od analogicznych zachodzących w szklanej kolbie czy reaktorze przemysłowym. To ciekawe, ale reakcje, których nie jesteśmy w stanie przeprowadzić w dużej skali, potrafią czasami zachodzić ze znaczną wydajnością w nanoprzestrzeniach, np. w niektórych wariantach słynnej reakcji Suzuki, wyróżnionej w 2010 r. Nagrodą Nobla.

 

Od lawy do biomedycyny

 

Pomysł zastosowania nanotechnologii w biomedycynie budzi wielkie nadzieje. Aby dostarczyć w określone miejsce organizmu czynnik diagnostyczny albo lekarstwo, wystarczy odrobinę takiego składnika połączyć z małą cząstką materiału magnetycznego, która w odpowiednio ukierunkowanym zewnętrznym polu magnetycznym przeniesie nam ładunek tam, gdzie chcemy. Wstrzykując do organizmu tak skonstruowane nanocząstki, można przeprowadzić diagnostykę czy też dokonać leczenia jedynie w wybranym rejonie naszego ciała, nie narażając innych jego części na niepotrzebne działanie wprowadzonych składników. Prawda, że proste?

Nanocząstki magnetyczne można też stosować w terapii nowotworowej. Po umiejscowieniu w nowotworze, pod wpływem przemiennego pola magnetycznego o wysokiej częstotliwości nagrzewają się one (zazwyczaj do temperatury 41–48ºC), uśmiercając otaczające, zmienione chorobowo komórki. Metoda ta jest obecnie dość intensywnie badana. Zasadniczy problem polega jednak na wytworzeniu w miarę takich samych, maleńkich magnetycznych cząstek, całkowicie nieszkodliwych dla organizmu, a przy tym dających się jak najprościej i jak najtaniej produkować.

Jeśli chodzi o wybór odpowiedniego materiału magnetycznego, dającego się zastosować w onkologii, kandydatem numer jeden są tlenki żelaza. Charakteryzują się one z jednej strony silnymi właściwościami magnetycznymi, z drugiej są nietoksyczne, a zawarte w nich żelazo zostaje wykorzystane przez organizm. Tylko jak łatwo i tanio otrzymać je w postaci nanocząstek? Znane i stosowane do tej pory metody są dość skomplikowane (np. termiczna dekompozycja metaloorganicznych związków), wymagają szeregu kolejnych procesów, odpowiedniego oczyszczania produktu, a co najistotniejsze – uzyskiwane są jedynie na niewielką, laboratoryjną na razie, skalę.

Rok temu na oryginalny pomysł wytwarzania nanocząstek wpadł zespół kierowany przez dr. Martineza-Boubete z Universitat de Barcelona. Wykorzystano fakt, że skały wylewne, takie jak bazalt, zawierają tlenki żelaza i wykazują dobre właściwości magnetyczne. Materiału tego jest pod dostatkiem, wystarczy tylko rozdrobnić go do rozmiarów nanometrowych. Do badań wybrano bazalt pochodzący z erupcji wulkanu Timanfaya na wyspie Lanzarote (Wyspy Kanaryjskie), do której doszło w latach 1730–1736. Aby z tej litej skały wytworzyć nanocząstki, zastosowano dwie metody – „z dołu do góry” (bottom-up) i „z góry do dołu” (top-down). Na tych metodach opiera się w zasadzie cała nanotechnologia. Na czym polegają?

„Z dołu do góry” to budowanie nanocząstek z pojedynczych atomów lub cząsteczek chemicznych składanych ze sobą jedna po drugiej aż do momentu uzyskania cząstki o określonym rozmiarze. W przypadku bazaltu z Lanzarote najpierw trzeba go stopić, a następnie przeprowadzić w stan pary w odpowiednim reaktorze. Parę bazaltu kieruje się w strumieniu argonu w zimny obszar reaktora, gdzie kondensuje do postaci maleńkich ziarenek. Odpowiednie dobranie parametrów procesu pozwala uzyskać nanocząstki o prawie jednakowych rozmiarach, o średnicy około 80 nm. W zastosowanym reaktorze (tu ciekawostka – zasilanym skoncentrowaną energią słoneczną) można wyprodukować gram bazaltowego nanoproszku na godzinę.

Metoda „z góry do dołu” polega na pomniejszaniu dużych, makroskopowych obiektów za pomocą mniej lub bardziej skomplikowanych metod, aż do momentu, gdy powstaną nanometrowe drobiny. Bryłę bazaltu po prostu się mieli. Stosując młyn kulowy i odpowiednio dobrany proces mielenia, po 100 godz. otrzymuje się prawie jednakowe cząstki bazaltu o średnicy około 30 nm.

Badania właściwości magnetycznych bazaltowych nanoziaren przyniosły zaskakujące wyniki. Po pierwsze okazało się, że znacznie lepsze są nanoziarna uzyskane metodą „z góry do dołu”. Zapewne zachowana zostaje w tym przypadku naturalna, specyficzna nanostruktura bazaltu, która jest całkowicie niszczona podczas przeprowadzania go w stan pary w procesie „z dołu do góry”. Ale nie to jest tu najciekawsze! Otóż nanoziarna bazaltu, i to bez względu na sposób ich otrzymania, wykazują znacznie lepsze właściwości magnetyczne niż macierzysta lita skała. Przypuszcza się, że nanoziarna stanowią pojedyncze izolowane domeny magnetyczne, które zachowują się zupełnie inaczej niż wtedy, gdy leżą jedna przy drugiej w dużej masie materiału. Badania nad tym zjawiskiem, nazywanym superparamagnetyzmem, ciągle trwają. W każdym razie to kolejny przykład „fenomenu” nanoskali.

 

Naturalne nanokatalizatory

 

Od czasu odkrycia na początku lat 80. nanowłókien węglowych, które tworzyły się na maleńkich ziarenkach metali (np. żelaza) w atmosferze węglowodorów w bardzo wysokiej temperaturze, świat nieprzerwanie interesuje się nimi, proponując coraz to inne ich zastosowania. Dzisiaj już wiemy, że nanowłókna te miały strukturę tzw. wielościennych nanorurek węglowych. Dziesięć lat później odkryto nanorurki jednościenne. Znamy też kilka innych struktur nanowłókien. Wszystkie mają wspólną cechę – zbudowane są z mniej lub bardziej precyzyjnie zwiniętych płaszczyzn grafenowych. Ponieważ te węglowe struktury mają zaskakujące właściwości elektryczne, mechaniczne i katalityczne, nie dziwi ogromne zainteresowanie nimi oraz dążenie do wytwarzania ich na dużą skalę, oczywiście możliwie najtaniej. No właśnie – i z tym jest problem! Metody wytwarzania nanoziaren metali pełniących rolę katalizatora wzrostu nanowłókien węglowych są skomplikowane, kosztowne i ciągle jeszcze daleko im do powszechnego zastosowania na skalę przemysłową. I tu znowu z pomocą przyszła natura, a dokładniej... wulkany!

W czerwcu 2003 r. byłem na Sycylii i przyglądałem się pomrukującej jeszcze Etnie po jej potężnej erupcji sprzed kilku miesięcy, kiedy to wyrzucała z siebie ogromne ilości materiału wulkanicznego. Samej lawy podczas tej erupcji wylało się około 10–11 mln m3. Kiedy tam byłem, lawa już zastygła, wziąłem więc sobie kawałek na pamiątkę. Kawałki tej samej lawy zebrał też dr Dang Sheng Su z Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft w Berlinie, by sprawdzić, czy może udałoby się wykorzystać obecne w niej żelazo jako katalizator do produkcji nanowłókien węglowych. Czasami na pozór szalone pomysły prowadzą do rewelacyjnych wyników. Tak też było w tym przypadku.

Rozdrobnioną lawę o grudkach nie większych niż pół milimetra włożono do rury kwarcowej, przez którą przepuszczano wodór. Całość ogrzano do temperatury 700ºC. Proces ten miał na celu zredukowanie tlenków żelaza do metalicznego żelaza. Na powierzchni grudek lawy pojawiły się nanoziarna czystego żelaza, dokładnie takie, jakie są potrzebne do przeprowadzenia syntezy nanowłókien węglowych. Teraz, nie przerywając prowadzonego procesu, do strumienia wodoru dodano etylen. Po dwóch godzinach stwierdzono, że grudki lawy pokryły się węglowymi nanowłóknami o formie wielościennych nanorurek. Na 0,2 g rozdrobnionej lawy nałożono w ten sposób 1,05 g nanorurek. Metoda okazała się więc stosunkowo prosta i… tania. Można ją też bez większych problemów zastosować w dużej hali produkcyjnej.

Zespół dr. Su postanowił pójść dalej i sprawdzić właściwości katalityczne tak otrzymanego nanomateriału węglowego. Okazało się, że jest on lepszym katalizatorem od analogów wytwarzanych innymi metodami. Badania przeprowadzono dla dwóch reakcji, bardzo istotnych z punktu widzenia gospodarczego: odwodornienia etylobenzenu do styrenu oraz odwodornienia 1-butenu do 1,3-butadienu. Styren i 1,3-butadien to ważne substraty do wielkotonażowej produkcji tworzyw sztucznych. W obydwu przypadkach szybkości reakcji były największe przy zastosowaniu nanorurek węglowych wytworzonych na lawie, w porównaniu z innymi nanorurkami, uzyskanymi znacznie droższymi metodami przez takie firmy jak Applied Sciences czy Bayer Materials.

Możliwość utworzenia nanorurek węglowych na żelazie zawartym w lawie nasunęła jeszcze jeden pomysł. A może już w samym wulkanie, gdzie panuje wysoka temperatura, a w gazach obecny jest wodór i węglowodory, dochodzi do produkcji nanowłókien węglowych? Na razie ich nie znaleziono, ale też nie szukano zbyt wnikliwie. Teraz poszukiwania nabrały rozmachu.

 

Szkło wulkaniczne

 

Krawędzie wypływających jęzorów lawy stygną zazwyczaj znacznie szybciej niż cała reszta. To gwałtowne zestalenie uniemożliwia utworzenie struktury krystalicznej, co sprawia, że powstaje materiał podobny do szkła, tzw. szkliwo wulkaniczne. Jednym z najlepiej znanych szkliw wulkanicznych jest obsydian – na ogół czarna szklista skała zbudowana głównie z krzemu i tlenu (razem stanowią ponad 85% wszystkich atomów budujących ten materiał). Resztę tworzą glin, sód, potas, żelazo, magnez i wiele innych pierwiastków w śladowych ilościach, np. bar, tytan, mangan, a niekiedy nawet tor. Dodatki te potrafią zmienić barwę szkliwa, czasami więc staje się ono oliwkowe, pomarańczowe, złociste. Różnokolorowe wtręty przybierają formę pasiastą, wstęgową lub też plamistych wykwitów.

Niezwykłe właściwości ­obsydianu – wyjątkową łupliwość dającą materiał o bardzo ostrych krawędziach i jednocześnie jego dużą twardość – wykorzystywano już w epoce dolnego paleolitu, kiedy to około 700 tys. lat temu wyrabiano z niego topory i tłuki znane chociażby z wykopalisk w rejonie Karandusi w Kenii. Rytualne noże, groty do strzał i włóczni, a nawet zwierciadła z obsydianu służyły Majom i Aztekom. Dzisiaj ich potomkowie używają go do wyrobu rozmaitych ozdób i rzeźb sprzedawanych potem na straganach. Z obsydianu robi się też... ostrza lancetów! Z powodzeniem stosowano je w operacjach chirurgicznych tak precyzyjnych jak operacje oka. Ostrze lancetu z obsydianu jest kilkaset razy ostrzejsze i gładsze od odpowiednika wykonanego z najwyższej jakości stali. Jest też kilka razy lepsze od ostrza diamentowego. Szerokość jego krawędzi ma zaledwie 3 nm grubości!

Może się wydać dziwne, ale dopiero kilka lat temu zaczęto zgłębiać tajemnicę obsydianu, licząc na sztuczne stworzenie podobnego materiału. Początkowo sądzono, że trzeba tylko odpowiednio dobrać skład pierwiastkowy szkliwa. Szybko się jednak okazało, że sprawa jest bardziej skomplikowana. Przetopiony obsydian tracił swoje niezwykłe właściwości i zachowywał się podobnie do typowego szkła. Po uderzeniu pojawiały się głębokie promieniste pęknięcia, inaczej niż w przypadku dziewiczego szkliwa, gdzie dochodziło jedynie do odkruszenia cieniutkiej łuski materiału.

Tajemnica leżała zatem gdzieś głębiej, w strukturze materiału. Postanowił ją rozszyfrować zespół kierowany przez dr. Dorfmana z Clarkson University w Potsdamie (USA), zaprzęgając do pracy całą gamę wyrafinowanych technik umożliwiających zobaczenie tego, co dzieje się na poziomie nanoskali. Wysiłek się opłacił. Okazało się, że w materiale występuje rozbudowana, przestrzenna sieć inkluzji o rozmiarach nanometrowych, które swoją budową chemiczną różnią się od reszty materiału tylko jednym – zawierają około dwa razy mniej tlenu. Prawdopodobnie to właśnie ta specyficzna nanostruktura odpowiada za niezwykłe właściwości mechaniczne obsydianu. Uderzając silnie ostrym narzędziem w powierzchnię szkliwa, odwarstwienie łuski materiału zachodzi właśnie po sieci inkluzji. Niełatwo jednak będzie odtworzyć w laboratorium podobne szkliwo. Chyba że Hefajstos i Wulkan uchylą rąbka swojej tajemniczej technologii. A może kiedyś pozwolą nam poznać jeszcze inne swoje nanotechnologiczne sekrety?

 

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie” 10/2015