Nanotehnologija 3. - Nanomateriali

Unikatna pridobitev je znatno povečano razmerje med površino in volumnom snovi. Posebne tehnologije namreč omogočajo »igračkanje« s posameznimi atomi, molekulami... To odpira nove možnosti v znanosti, ki temelji na površini (npr. kataliza). Število fizikalnih pojavov je postalo opazno jasnih, s tem ko se sistem manjša. To vključuje statistične mehanične efekte, kot tudi kvantne mehanične efekte npr. efekt kvantne velikosti, kjer se električne lastnosti trdnih snovi spremenijo z velikim "skrčenjem" v majhne delce. Ta efekt se ne kaže kot sprememba iz makro v mikro dimenzije, postane pa dominanten, ko se doseže nano velikost snovi. Dodatno število fizikalnih lastnosti se spremeni, ko izvedemo primerjavo z makroskopskimi sistemi.

Materiali, zmanjšani na velikost nano, lahko nenadoma kažejo zelo drugačne lastnosti v primerjavi s tem, kar kažejo v velikosti makro (normalna velikost). Neprepustne substance postanejo prepustne (baker), vztrajni elementi postanejo katalizatorji (platina), stabilni elementi pa postanejo vnetljivi (aluminij). Trdnine se spremenijo v tekočine (zlato) na sobni temperaturi. Izolatorji postanejo prevodniki (silikon). Materiali, kot je zlato, ki je kemično vztrajen na normalnih velikostih, lahko služijo kot močni katalizatorji v nano velikostih. Navdušenja nad nanotehnologijo je veliko prav zaradi teh fenomenov.

Fulereni

Fulereni so bili odkriti leta 1985 s strani raziskovalcev na Rice University. Gre za podskupino ogljikovih (karbonskih) alotropov. Mimogrede – alotropija pomeni obstoj elementov v dveh ali več različnih oblikah. Pri ogljiku imamo dve osnovni pojavnosti – diamant in grafit; a so tu še fulereni. Poimenovani so po Richardu Buckminsterju Fullerju.

Kemijsko gledano so to molekule povsem zgrajene iz ogljika, ki so v obliki votlih krogel, elipsoid ali tub – cevk. Cilindrični oziroma valjasti fulereni so poimenovani za karbonske nanocevke oziroma Buckyjeve cevke. Fulereni so v zgradbi precej identični grafitu, ki je zgrajen iz mreže šestkotnih obročev. Pri fulerenih se večinoma pojavljajo šestkotni obroči, sicer pa tudi petkotni in sedemkotni obroči. Slednji so zaslužni za kroglasto, elipsoidno ali valjasto obliko molekul oziroma za neravne cevke (slika).

Čisto na kratko še nastanek nanocevk. Kot vemo dobimo ob dovolj vztrajnem in dovolj močnem stiskanju ogljika diamant. Če smo še nekoliko bolj vztrajni, zagrizeni in ustvarimo še bolj ostre pogoje, se ogljik spremeni v prav tako očarljiv material – nanocevke.

Ogljikove nanocevke so petdesetkrat močnejše od jeklenih žic in lahko prevajajo tisočkrat več električne energije kot bakrene žice. Trdnost nanocevk je naravnost znanstvenofantastična, saj zmore podpirati 50000krat večjo težo od svoje brez deformacij. S tem so znanstveniki »premagali« dosedanjega zmagovalca v naravi – pajkovo mrežo.

Najmanjši fuleren je Buckminsterfuleren C₆₀, njegovo obliko pa lahko primerjamo z obliko nogometne žoge.

Uporabnost nanocevk je zelo široka. Materiali za oblačila, ki se ne zmočijo in ne raztrgajo, neprebojni, super-močni bojni materiali, dodatki k polietilenu – povečajo elastičnost za 30%, športni rekviziti, novi materiali za vesoljsko tehnologijo… so le nekatere možnosti uporabe s področja izboljšanja strukture. Imamo širok spekter uporabe nanocevk v elektromagnetizmu, npr. Bucky-papir, ki je 250krat močnejši od jekla in 10krat lažji – zelo uporaben kot zadrževalec pregrevanja ali pa v letalstvu… Tu so še solarne celice, superprevodniki, nano tranzistorji… Na kemijskem področju se uporabljajo kot filtri zraka ali vode ali pa kot embalaža biotehnoloških produktov (zaradi varnostnih razlogov – nevarnost, da bi spremenjeni organizmi ipd. prišli v okolje). Pogosto je njihova uporaba zelo zaželena pri vsakdanjih produktih, saj zviša njihovo kakovost in obstojnost.

Na tem mestu bi morda izpostavil še električno omrežje nove dobe. Nanokristale, ki so kot majhni energetski stebriči v tankih solarnih ploščah, je mogoče poceni narediti v laboratorijski čaši. Električno energijo pridobivajo tako, da fotoni sončne svetlobe zadevajo kristale, to pa vzbudi elektrone in požene tok po štirih krakih vsakega kristala. Vsak krak je širok približno 20 atomov. S pretokom skozi krake in polimerno podlago nastane električni tok. Kljub temu pa tovrstni štirinožci pretvorijo v električno energijo samo tri odstotke sončne energije, izkoristek klasičnih sončnih celic pa je okoli devetodstoten. Vendar so plošče za izkoriščanje sončne energije v primerjavi s klasičnimi upogljive in cenejše pri izdelavi. Izdelajo jih tako, da kovinske plošče porinejo skozi vrteče se valje, ti pa nanje nanesejo plast nanokristalov. Hiše, ki bi bile opremljene z nanoploščami, bi lahko razbremenile obstoječe električno omrežje, zlasti ob konicah porabe, ki povzročajo prekinitve. Nanosolarjev izdelek SolarPly naj bi imel 12-odstoten izkoristek. Največji izziv je torej spremeniti strukturo kristalov tako, da bo izkoristek še večji.

Nanodelci - nanoprašek

Gre za kakršnekoli delce, ki vsaj v eni dimenziji (dolžini, širini ali višini) merijo manj kot 100nm. Raziskave teh delcev so trenutno v razmahu zaradi široke raznolikosti potencialne uporabe, od biomedicine in optike do elektronike. Pri raziskavah so trenutno vodilni Američani, ki tudi precejšnji delež državnega proračuna namenjajo specifično za raziskave nanodelcev.

Pri običajnih prostorninah določene snovi je število atomov na površini v primerjavi s celotnim številom atomov zanemarljivo, zato nimajo posebnega vpliva na lastnosti snovi kot celote. Če pa govorimo o nanodelcih velikosti do 50nm, temu ni tako. Pri nanodelcih bakra se izredno poveča trdnost, hkrati se dosti bo

lj izrazi kovnost in razteznost materiala. Vendar spremembe velikosti snovi niso nujo zaželene in koristne. Pri feromagnetikih se pri velikostih pod 10nm spremeni magnetno polje že pri sobni temperaturi, to pa jih onesposobi shranjevanja podatkov.

Suspenzija nanodelcev je precej uspešna in ponavadi poteka brez težav, kar je koristno. »Krivec« za to so dovolj velike sile med topljencem in topilom, ki premagajo razlike v gostoti. Ravno te bi namreč lahko bile vzrok potapljanju oziroma plavanju nanodelcev v raztopini. Večina kozmetičnih sredstev temelji na suspenziji nanodelcev.

Pogoste so tudi nepričakovane vidne spremembe pri nanodelcih. Tako se zlato v nano velikostnem razredu pojavlja v temno rdeči in črni barvi.

Kvantni madeži oziroma kvantne pike

To so polprevodniki nano velikosti, ki omejujejo gibanje prostih elektronov, valentnost prostih elektronskih parov ali kar obojih skupaj. Ovirajo jih v vseh treh prostorskih smereh.

Dejavnost kvantnih madežev lahko ima več različnih posledic:

- Povečanje električnega potenciala (zaradi zunanjih elektrod, obstreljevanja, natezanja ali neprečiščenosti)
- Pojav nove mejne ploskve med dvema različnima polprevodnikoma (predvsem pri kristalih) - Pojav nove polprevodniške površine (npr. polprevodniški nanokristal)

- Kombinacija zgornjih posledic

Kvantni madež lahko ima energijski spekter določen na kvant natančno. Lahko so izjemno majhni – 2 do 10nm – ali pa tudi večji – do 100nm. Običajne velikosti so med 10 in 50nm. Če bi bili »nanomadeži« velikosti 10nm v premeru, bi jih lahko v širini palca nanizali kar 2 do 3 milijone.

Pogoste nanostrukture so:

- Kvantne žice – omogočajo gibanje elektronov v dveh smereh in dovoljujejo poljubno širjenje tudi v tretji
- Kvantni slapovi – gibanje elektronov je določeno v eni smeri, preostali dve ostajata poljubni

Poglejmo si zelo lep primer delovanja kvantnih madežev kadmijevega selenida (CdSe). Kvantne madeže različnih velikostih so vmešali v ločene laboratorijske stekleničke in jih obsevali z ultravijolično (UV) svetlobo. Kot posledica se pojavi fluorescenca v različnih barv.