Paslaptingasis nanopasaulis

Jau seniai žinomos dvi iš anglies atomų sudarytos medžiagos – grafitas ir deimantas. Grafitas sudarytas iš plokščių sluoksnių, uždėtų vienas ant kito, tarsi kortos kaladėje. Kiekviename atskirame sluoksnyje ryšiai tarp atomų labai stiprūs, tačiau patys sluoksniai tarpusavyje sujungti gana silpnai, jie lengvai persistumdo ir lūžta. Dėl šių savybių grafitas naudojamas pieštukams gaminti. Trinantis į popierių grafitas palieka pėdsaką ant balto paviršiaus. Visiškai kitokiomis savybėmis pasižymi deimantas – tai pats kiečiausias ir tvirčiausias gamtoje aptinkamas mineralas. Jo atomai tarpusavyje taip stipriai susiję, kad sudaro nepaprastai patvarią kristalinę struktūrą.

Kai 1985-ais metais grupė chemikų -amerikiečiai Ričardas Smolis ir Robertas Kerlas bei anglas Haroldas Kroto – atrado naują iš anglies atomų sudarytą medžiagą, tai tapo tikra sensacija. Kai kurie mokslininkai iš pradžių netgi netikėjo šiuo nepaprastu pranešimu, manydami, kad įvyko kažkokia klaida. Tačiau kitų mokslininkų atlikti pakartotiniai tyrimai patvirtino atradimo faktą, ir po 10-ies metų Smolis, Kerlas ir Kroto buvo apdovanoti Nobelio premija.

Šios medžiagos struktūros pagrindas yra kristalinė gardelė, sudaryta iš 60 atomų. Molekulės vaizdas labai smarkiai skiriasi nuo kitų medžiagų molekulių ir primena futbolo kamuolį, susiūtą iš daugybės odos skiautelių.
Naujoji medžiaga buvo pavadinta fulerenu – architekto Ričardo Fulerio, kuris pirmasis sukonstravo ir pastatė kupolo formos statinį, savo
konstrukcija panašų į tokią molekulę.

Nanovamzdeliai priartinti mikroskopu

Šis mokslininkų-chemikų atradimas nanotechnologijoms turėjo didžiulę reikšmę. Fulerenai – tai nanodalelės, turinčios kai kurių grafito ir deimanto savybių, tačiau turinčios ir tik joms būdingų labai vertingų ypatybių.

Pasirodė, kad fūlerenų molekulės gali turėti ne tik kamuolio formą, jos gali būti panašios ir į agurotį bei būti sudarytos iš 70-80 atomų. Medžiagos, turinčios fūlerenų, gali būti pagrindas polimerų, ypač tvirtų plėvelių gamybai. Kristalai (fuleritai) naudojami elektronikoje, kompiuterinėse technologijose.
Greitai buvo aptikta dar viena medžiaga, turinti nanodalelių, kuri artima fulerenui. Tai įvyko 1991 metais. Japonų mokslininkas Sumijo Idžima tyrinėjo nuosėdas, kurios susidarė po elektrinio lauko išlydžio. Pro mikroskopo vamzdelį mokslininkas pamatė iki tol nežinomas nanodalelės, kurios buvo panašios į vamzdelius su užriestais galais ir turinčios tinklines sieneles. Šios dalelės buvo pavadintos nanovamzdeliais, jų diametras yra apie 1 nanometrą (50 tūkstančių kartų plonesnis už žmogaus plauką) o ilgis tik keletas šimtųjų milimetro dalių. Pasirodė, kad nanovamzdeliai gali būti vienasluoksniai arba daugiasluoksniai, tarsi sunerti vieni į kitus, sudaryti iš kelių milijonų atomų ir turi tiesiog fantastiškų savybių.

Pirmiausia, stebina jų tvirtumas. Šie nanovamzdeliai 100 kartų tvirtesni, lankstesni ir žymiai lengvesni. Skaičiavimai rodo, kad ant siūlo storio nanovamzdelių pluošto galima pakabinti autobusą kartu su visais keleiviais, ir siūlas išlaikys tokį svorį. Manoma, kad nanovamzdeliai – tvirtumo rekordininkai, tvirtesnės medžiagos sukurti nebeįmanoma.

Nanovamzdelių struktūra kogero pati stipriausia

Dar viena labai svarbi nanovamzdelių savybė – jie gali būti puikiais elektros laidininkais ir puslaidininkiais, o tai reiškia, kad jie tiesiog neįkainojama medžiaga elektronikos pramonėje.

Nanovamzdeliai jau naudojami nepaprastai miniatiūriniams tranzistoriams gaminti. Šie stebuklingieji vamzdeliai taip pat naudojami idealiems laidams gaminti. Šiais superlaidais gali tekėti nepaprasto stiprumo elektros srovė – laidas neturi varžos ir nekaista. Nuo tokio stiprumo srovės įprastinis laidas tiesios akimirksniu taip įkaistų, kad išgaruotų.

Iš medžiagų, turinčių nanovamzdelių, pagaminti lėktuvai, raketos, kosminiai aparatai, automobiliai tampa tvirtesni ir lengvesni. Karinė technika, padengta medžiaga su nanovamzdelių pagrindu, tampa nematoma radarams. Kinijos mokslininkai iš nanovamzdelių sugebėjo sukurti nepaprastai stiprius siūlus, o anglų – ypač tvirtą popierių.

Šios nanodalelės turi dat vieną labai svarbią savybę – savo vidinėse ertmėse jos gali saugoti dujas, pvz. vandenilį. Vandenilis yra žinomas kaip puikus kuras. Jo dujos yra lengviausios, o jų masės vienetas energijos išskiria žymiai daugiau, nei kitokios rūšies kuras. Yra paskaičiuota, kad automobiliu nuvažiuoti 1000 km reiktų tik 5-6 kg vandenilio.

Tačiau bėda yra ta, kad tokiam kiekiui vandenilio saugoti reikalingos didžiulės talpos, kurios paprasčiausiai netilptų į automobilį. Be to, šios talpos pačios savaime yra sunkios ir kelia kai kuriuos pavojus.

Tačiau yra puiki išeitis – panaudoti nanovamzdelius. Juose gali būti laikomi didžiuliai vandenilio kiekiai. Ir tai jau nėra fantazija. Japonų konstruktoriai bando sukurti automobilį, varomą vandeniliu, su kuro baku iš nanovamzdelių. Žinoma, jei tokie automobiliai bus pradėti masiškai gaminti, reikės pasirūpinti ir apie degalines. Jos irgi yra projektuojamos.

Nanovamzdeliuose galima laikyti ne tik dujas, bet ir įvairius skysčius. Pvz. saugūs konteineriai iš nanovamzdelių skirti gabenti kenksmingoms ir nuodingoms medžiagoms. Į nanovamzdelio vidų patekę medžiagos atomai ir molekulės nebegali iš jo pasišalinti: vamzdelio galai uždari, o korėta sienelė turi per mažas skylutes praėjimui. Paskirties vietoje nanovamzdelių galai atidaromi (jau surastas būdas kaip tai padaryti), ir nanokonteinerio turinys patenka į išorę.

Kol kas nanovamzdelių gamyba yra labai brangi ir todėl vystosi gana lėtai. Nanovamzdelių ilgis yra gana mažas -geriausiu atveju jie gali būti kelių mm ilgio. Tačiau visa tai yra šiandien, o ateityje, kai tikisi nanotechnologijas kuriantys mokslininkai, bus išmokta pagaminti dešimčių ar net šimtų metrų ilgio nanovamzdelius. Mokslas ir technika be perstojo vystosi. Tai, kad šiandien atrodo neįmanoma, rytoj gali tapti realybe. Istorija žino ne vieną tokį atvejį.

Kaip jau rašyta, pirmasis nanovamzdelius aptiko japonų mokslininkas Sumijo Idžima nuosėdose, susidariusiose ant elektrodo po elektros lanko iškrovos. Nuo to laiko daugelis tyrinėtojų bandė išsiaiškinti šių nanodalelių susidarymo paslaptį, kad būtų atrastas būdas jų išgauti pakankamą kiekį ir be priemaišų.
Nanotechnologų pastangos davė rezultatus. Jiems pavyko sukurti netgi keletą įvairių būdų. Jų visų bendras bruožas yra tas, kad nanovamzdeliai išgaunami cheminiu būdu labai aukštoje temperatūroje. Labiausiai paplitęs būdas – taip vadinamas grafito išskaidymo elektros lanku metodas.

Jos esmė yra tokia. Uždaroje kameroje, pripildytoje kokių nors inertinių dujų, tarp dviejų elektrodų – anodo ir katodo – sukuriama elektros iškrova. Jos metu susidariusios plazmos temperatūra viršija keletą tūkstančių laipsnių. Tokioje aukštoje temperatūroje anodo paviršius ima greitai garuoti. Garai nusėda ant šaltų kameros sienų ir katodo. Visas šis procesas ir atliekamas vardan šių kritulių. Būtent vėliau juose elektroninio mikroskopo pagalba galima pamatyti nanovamzdelius ir fulerenus.

Komentuok su Facebook paskyra: