Transcript nanocevi 2014

eki smatraju da je revolucija u nanonauci započela
1981. godine pronalaskom Scanning tunneling
microscope (STM) za što su pronalazači Heinrich
Rohrer i Gerd K. Binning iz IBM-a, Zürich, dobili
Nobelovu nagradu za fiziku u 1986. godini.
Taj izvanredan uređaj detektuje slabe struje koje teku
između šiljka mikroskopa i uzorka koji se proučava,
dopuštajući istraživačima da »vide« čestice i do
veličine jednog atoma. Pronalazak STM-a doveo je do
razvoja drugih skenirajućih uređaja, uključujući atomic
force microscope (AFM).
Princip rada AFM-a je sličan onome kod nekadašnjeg
gramofona. Mala sonda – nit ili šiljak piramidnog oblika
tipične širine 2 do 30 nanometara – dovodi se u direktni
kontakt sa uzorkom.Nakon toga se pomiče prema kraju
poluge, koja se savija kako se šiljak kreće po reljefnoj
površini uzorka. Sonda može da kontinualno prati reljef
podloge, da vibrira ili skakuće po njoj. Pomak u
nagnutom smjeru mjeri se refleksijom zraka lasera od
vrha poluge. AFM može detektovati varijacije u
vertikalnoj topografiji koje su manje od dimenzija šiljka.
Skenirajući uređaji mogu se koristiti osim posmatranja i
za izgradnju nanostruktura. Šiljak AFM-a može se
upotrebiti za fizičko pomicanje nanočestica po površini i
njihovo slaganje u neke celine.
Može se takođe upotrebiti za pravljenje nanometarskih
ureza po površini. Kada se poveća struja šiljka STM
postaje malen izvor elektronskog mlaza i tada može
pisati tragove nanometarske veličine. Šiljak STM-a
može pomicati pojedine atome po površini pri izgradnji
prstenova i žica koje su samo jedan atom široki.
Navedene skenirajući uređaji, uz elektronski mikroskop
kojim se dopunjuju, glavni su instrumenti u istraživanju i
laboratorijskoj gradnji nanostruktura.
Veličina: prečnik 0,6 do 1,8 nm, dužina 1 do 10 μm
Gustina: 1,33 do 1,40 g/cm3
Istražuju se mnogi materijali i njihove
kombinacije, načini proizvodnje i primena.
Ipak jedan proizvod iz tog područja –
ugljenična nanocev (carbon nanotube,
buckytube) – jedan je od najzaslužnijih za
toliki interes za nanotehnologiju. To je
potpuno jasno kada imamo uvidu svojstva
tog materijala.
Nanocevi su izgrađene samo od atoma
ugljenika. Zamislimo ravnu mrežu pravilnih
šestougaonika čiji su čvorovi atomi
ugljenika, vrlo tačno složeni, a mreža je
savijena u malenu cev. Cevi mogu imati
jednu ili više zidova, mogu biti usukane ili
ravne, mogu biti odlični provodnici ili
poluprovodnici. Takva struktura ima
sljedeća svojstva:
Čvrstoća na istezanje: najmanje 10 puta veća od čvrstoće
legiranog čelika, ili oko 20 puta veća
Čvrstoća na pritisak: dva reda veličine veća nego kod dosad
najčvršćih Kevlar vlakana
Tvrdoća: prosečno oko 2000 gigapaskala, što je skoro dva
puta više nego kod dijamanta, dosad najtvrđeg
materijala na svijetu
Elastičnost: mnogo veća nego kod metala ili ugljeničnih
vlakana
Toplotna provodljivost: predviđa se da je veća od 6000
W/m⋅K (čisti dijamant 3320 W/m ⋅ K)
Temperaturna stabilnost: u vakuumu do 2800 ºC, a vazduhu
do 750ºC (metalni vodovi u
čipovima tope se između 600 i
1000 ºC)
Provodljivost struje: procjenjuje se na 1 mrd A/cm2! (bakrena
žica izgori pri 1 mln A/cm2)
Emisija elektrona: aktivira se pri 1 do 3 V uz razmak
elektroda 1 μm (molibdenovi šiljci
zahtijevaju polje od 50 do 100 V/μm)
Cijena: 1500 $/g kod Bucky, Huston, SAD u 2000. godini
(zlato iste godine 10 $/g).
Ugljenične nanocevi otkrio je 1991. godine industrijski
istraživač Sumio Iijima u velikoj japanskoj
elektrotehničkoj kompaniji NEC.
Nekoliko skraćenih izjava naučnika o nanocevima:
»Nanocevi su prema mom mišljenju najbolji emiteri
elektrona na svetu«, procenjuje prof. Andre Chatelain
»najmanje deset puta bolje od dosad raspoloživih
izvora elektrona«. Istraživač na Ecole Polytechnique u
Lausannei, Švicarska, nastavlja: »Nanocevi pred
sobom imaju basnoslovnu budućnost«.
Na električno provodljivu foliju uspeli su fizičari složiti
»šumu« od desetina hiljada strmih ugljenikovih
nanocevi; svaka debljine oko deset nanometara.
Priključi li se između folije i nasuprotne metalne
elektrode napon, skaču elektroni iz vrhova nanocijevi.
Fizičari govore o »hladnom pražnjenju iz šiljaka« –
suprotno katodnim cevima u televizorima i monitorima
računara, gde se katode greju da bi se »izvukli«
elektroni.
Prof. H. Daniel Wagner iz Weizmann instituta
kod Tel Aviva, Izrael, u pogledu mehaničkih svojstava
nanocevi odlazi u sanjarenje: »čvrstoća na pritisak je
apsolutno gigantska, dva reda veličine više od dosad
najčvršćih vlakana Kevlara. Tvrdoća skoro dvaput
veća od one kod dijamanta, a čvrstoća na istezanje
najmanje deset puta veća nego kod čelika, pri samo
šestini njegove težine! Te izvanredne osobine
proizlaze potpuno iz molekula, koje su gotovo bez
defekata, tj. potpuno su pravilne«.
Prof. Wagneru je uspelo 1996. godine majstorski
izmeriti provodljivost i tvrdoću jedne jedine
nanocevi.
Naučnici su razradili tri načina dobijanja čađi, koja
sadrži zntan deo nanocevi. Ipak, metode su sa
ozbiljnim ograničenjima: sve proizvode smešu
nanocevi s velikim rasponom dužina, više ili manje
defekata i sa varijantama usukanosti.
a) u 1992. godini Thomas Ebbesen i Pulichel M.
Ajayan, naučnici iz NEC Fundamental Research
Laboratory, Japan, prvi su objavili metodu za
dobjanje makroskopskih količina nanocevi.
Ostvarili su električni luk između grafitnih elektroda,
ugljenik je ispario i nakon toga se jedan deo (oko
30%)
rekombinovao
u
nanocevi.
Visoka
temperatura i metalni katalizator pomogli su da
grafitne elektrode mogu proizvesti jednozidne i
višeszidne nanocevi sa nešto ili bez strukturnih
defekata. Cijevi su različitih i manjih dužina.
b) Morinubo Endo sa Shinshu univerziteta u
Japanu prvi je proizveo nanocevi hemijskim
naparivanjem. U peći se greje supstrat, a spolja se
dovodi gas koji sadrži ugljenik. Gas se raspada, a
ugljenik se rekombinuje u nanocevi na supstratu.
Naknadno pronađenim poroznim katalizatorom
uspeva se veliki deo ugljenika iskoristiti, a
delimično je već uspelo kontrolisati rast nanocevi.
Iskoristi se od 20 do 100 posto ugljenika. Metoda je
jednostavna i jeftina i daje nanocevi veće dužine ali su
pretežito višezidne i sa defektima. Prosečno imaju samo
desetinu čvrstoće na istezanje u poređenju sa onima
proizvedenim u električnom luku.
c) Richard Smalley i saradnici s Rice univerziteta, SAD,
obasjavaju grafitne štapove snažnim impulsima lasera.
Uz odgovarajuće katalizatore uspjeli su usavršiti proizvodnju
većih količina jednozidnih nanocevi, kojima uspevaju već
kontrolisati prečnik. Iskoristi se do 70% ugljenika. Ta metoda
je najskuplja jer zahtijeva vrlo skupe lasere.
Nešto manje su interesantni fullereni (buckyball), koji se
takođe ubrajaju u nanostrukture. To su šuplje kavezne
kuglaste molekule, a sastoje se od najmanje 60 atoma
ugljenika (npr. C60). Izolovani su i veći fullereni kao C76, C78,
C82, C84...
C60 sadrži 12 petougaonih površina i 20 šestougaonih
površina (slično nogometnoj lopti) sa prečnikom kugle 0,71
nm. Fullereni pored grafita i dijamanta čine treću modifikaciju
elementa ugljika, a gustina im je 1,678 g/cm3. Fullerene su
otkrili 1985. godine Robert Curl jr., Harold Kroto i Richard
Smalley (Nobelova nagrada za hemiju 1996. godine).
Svojevremeno je inženjer gradatelj Buckminster uller u
SAD-u sagradio kuglastu zgradu sa eteougaonim i
šestougaonim pločama – po njemu su prozvane
otkrivene molekule.
Kao i nanocevi, fullereni se proizvode naparivanjem
grafitne elektrode u električnom luku uz helijum kao
zaštitni gas (Krätschmer-Huffman sinteza). Nakon toga
se iz čađi na zidu reaktora izoluju nastali fullereni.
Fullereni takođe posjeduju posebna svojstva i
primenjivatće se, prema predviđanjima, u mnogim
područjima – čak kao super E vitamini!
Mikroelektronika je područje, koje je verovatno najviše
zainteresovano za rešenja nanotehnologije, jer se ide
dalje u minijaturizaciji. Kao da se predviđa da su
današnja rešenja mikročipova već blizu granica, te se
izlaz vidi u odlasku u područje molekula i atoma. Viziju
o budućem razvitku imao je već 1959. godine
nobelovac Richard Feynman (Kalifornijski institut za
tehnologiju), kada je u svom govoru o minijaturizaciji u
elektronici rekao:
»There’s Plenty of Room at the Bottom« (Tamo dole
ima mnogo prostora) misleći na razine molekula i
atoma.
Poznato je da to ima već i praktičnih rezultata, a naučnici su
razvili niz tehnika za gradnju struktura manjih od 10
nanometara. U sedećem tekstu kratko su prikazana četiri
načina proizvodnje nanostruktura uz pomoć njihovih
prednosti i nedostataka.
a) Fotolitografija. Elektronska industrija je već familijarna sa
tom tehnologijom, jer se i sada koristi za proizvodnju
mikročipova. Proizvodači mogu modifikovati tu tehniku za
proizvodnju nanometarskih struktura korišćenjem mlazova
elektrona, rendgenskih zraka ili ekstremno ultraljubičaste
svetlosti.
Potrebne modifikacije bit će skupe i tehnički teško ostvarive.
Korišćenje mlazova elektrona za »krojenje« struktura je
skupo i sporo. Rendgenske zrake i ekstremno ultraljubičasto
svetlo mogu oštetiti uređaje korištene u procesu Metoda
skeniranja. Scanning tunneling microscope i atomic force
microscope mogu biti upotrijebljeni za pomicanje pojedinih
nanočestica i slaganje u strukture.
Instrument može graditi prstenove i niti širine samo jednog
atoma. Metoda je prespora za masovnu proizvodnju.
Primena mikroskopa će verovatno biti ograničena na
proizvodnju specijalizovanih uređaja.
c) Meka litografija. Ta metoda dopušta istraživačima jeftinije
reprodukovanje uzoraka složenih litografijom pod a) ili
drugim srodnim tehnikama. Meka litografija ne zahtijeva
specijalne uređaje i može se koristiti u običnoj laboratoriji.
d) Metoda Bottom-up. Tačno kontrolisanim
hemijskim reakcijama istraživači mogu jeftino i lako
slagati atome i molekule u najmanje strukture s
dimenzijama između 2 i 10 nm. Zbog toga što se
tom metodom ne mogu proizvesti međusobno
spojene strukture, ona nije podesna za gradnju
elektroniskih uređaja npr. čipova.
Teško
je
još
govoriti
o
proizvodima
nanotehnologije, jer su to pretežito eksperimentalni
primerci ili prototipovi. Izuzeci su nanocevi i
fullereni koji se ne proizvode opisanim tipičnim
postupcima nanotehnologije.
Najviše se piše o primeni u mikroelektronici, što je i
razumljivo. Istraživači su već kreirali elektronske
komponente nanometarske veličine – tranzistore,
diode, releje, logička vrata i spojne vodove – od
organskih molekula, ugljenikovih nanocevi i takođe
od poluprovodničkih nanocevi.
Već 1987. godine u Bell Laboratories, SAD,
sagrađen je prvi jednoelektronski tranzistor (SET)
nanometarske veličine. 1998. godine na Delft
Univerzity of Technology, Nizozemska, kreiran je
tranzistor od ugljenikovih nanocevi.
Kreiran je i FET tranzistor od nanocevi. Sada je izazov
spajanje tih sitnih komponenti međusobno. Čini se da će
izbijanje elektrona (field emission) iz nanocevi biti veliko i
važno područje. Već su proizvedeni prvi svetleći uređaji i
displeji. S obzirom na svojstva nanocevi će verovatno biti
upotrebljene za vođenje velikih struja a posebnim
slučajevima takođe i kao provodnici toplote.
Veruje se da će se i memorije velike gustine podataka
rešavati nanotehnologijom. Kompanija IBM već ima glavu s
više nanometarskih slojeva za čitanje vrlo gusto spremljenih
podataka na novim diskovima. Posebno je zanimljiva
medicina kao perspektivno područje primene notehnologije.
Mnogo se o tome piše (često čak zvuči kao naučna
fantastika), a čini se da su sledeće primene realne:
– objekti nanometarske veličine od neorganskih materijala
moći će poslužiti u biomedicinskim istraživanjima,
dijagnozama i isto tako u terapiji;
– biološki testovi koji mere ponašanje ili aktivnost odabranih
supstancija postaju brži, osjetljiviji i fleksibilniji ako se
određeni delići nanometarske veličine uključe da funkcionišu
kao oznake ili etikete;
– nanostrukture bi mogle biti upotrijebljene za dostavu leka
(drag carrier) upravo tamo gdje je potreban, izbjegavajuć i
štetne popratne efekte koji su često rezultat jakih lijekova;
– umetne nanometarske građevine mogle bi jednog dana biti
upotrebljene da pomognu u reparaciji tkiva kao što je koža,
hrskavica ili kost, a to bi moglo pomoći pacijentu da
regeneriše organe.
d) Metoda Bottom-up. Tačno kontrolisanim
hemijskim reakcijama istraživači mogu jeftino i lako
slagati atome i molekule u najmanje strukture s
dimenzijama između 2 i 10 nm. Zbog toga što se
tom metodom ne mogu proizvesti međusobno
spojene strukture, ona nije podesna za gradnju
elektroniskih uređaja npr. čipova.
Teško
je
još
govoriti
o
proizvodima
nanotehnologije, jer su to pretežito eksperimentalni
primerci ili prototipovi. Izuzeci su nanocevi i
fullereni koji se ne proizvode opisanim tipičnim
postupcima nanotehnologije.
Najviše se piše o primeni u mikroelektronici, što je i
razumljivo. Istraživači su već kreirali elektronske
komponente nanometarske veličine – tranzistore,
diode, releje, logička vrata i spojne vodove – od
organskih molekula, ugljenikovih nanocevi i takođe
od poluprovodničkih nanocevi.
Već 1987. godine u Bell Laboratories, SAD,
sagrađen je prvi jednoelektronski tranzistor (SET)
nanometarske veličine. 1998. godine na Delft
Univerzity of Technology, Nizozemska, kreiran je
tranzistor od ugljenikovih nanocevi.
Kreiran je i FET tranzistor od nanocevi. Sada je izazov
spajanje tih sitnih komponenti međusobno. Čini se da će
izbijanje elektrona (field emission) iz nanocevi biti veliko i
važno područje. Već su proizvedeni prvi svetleći uređaji i
displeji. S obzirom na svojstva nanocevi će verovatno biti
upotrebljene za vođenje velikih struja a posebnim
slučajevima takođe i kao provodnici toplote.
Veruje se da će se i memorije velike gustine podataka
rešavati nanotehnologijom. Kompanija IBM već ima glavu s
više nanometarskih slojeva za čitanje vrlo gusto spremljenih
podataka na novim diskovima. Posebno je zanimljiva
medicina kao perspektivno područje primene notehnologije.
Mnogo se o tome piše (često čak zvuči kao naučna
fantastika), a čini se da su sledeće primene realne:
– objekti nanometarske veličine od neorganskih materijala
moći će poslužiti u biomedicinskim istraživanjima,
dijagnozama i isto tako u terapiji;
– biološki testovi koji mere ponašanje ili aktivnost odabranih
supstancija postaju brži, osjetljiviji i fleksibilniji ako se
određeni delići nanometarske veličine uključe da funkcionišu
kao oznake ili etikete;
– nanostrukture bi mogle biti upotrijebljene za dostavu leka
(drag carrier) upravo tamo gdje je potreban, izbjegavajuć i
štetne popratne efekte koji su često rezultat jakih lijekova;
– umetne nanometarske građevine mogle bi jednog dana biti
upotrebljene da pomognu u reparaciji tkiva kao što je koža,
hrskavica ili kost, a to bi moglo pomoći pacijentu da
regeneriše organe.