Nanotechnologia [1] jest obecnie najszybciej rozwijającą się dziedziną wiedzy. Jest to dziedzina operująca na poziomie atomów i molekuł materiałami, których struktury i elementy wykazują osobliwe i doskonale rozwinięte chemicznie, fizycznie i biologicznie właściwości spowodowane ich nanorozmiarami .
Skala nano odnosi się do rzędu wielkości atomowych. Jeden nanometr odpowiada sześciu atomom węgla ułożonym szeregowo lub odpowiada wielkości 10-ciu Angstremów, jednostek często stosowanych w chemii i fizyce do opisów obiektów i zjawisk w skali atomowej. Angstrem jest nielegalną jednostką w Polsce zgodnie z Rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia 30 listopada 2006 r. w sprawie legalnych jednostek miar, dlatego zaleca się stosowanie jednostek nanometrycznych.
2.1. Wstęp historyczny
Za początek nanotechnologii uważa się [2] lata 50-te XX w kiedy to Richard P. Feynman, laurat Nagrody Nobla, wygłosił swój słynny referat pt. „ There is Plenty of Room at the Bottom”. Uczony przedstawił swoją wizje z fabrykami, w których pracowały nanomaszyny produkujące różnorodne i złożone produkty. Już w 1960 roku 35-letni inżynier William H. McLellan dostał nagrodę nobla za zbudowanie silnika mieszczącego się w sześcianie o boku nie większym niż 1/62 cala, ważącym 250 mikrogramów o mocy 1mW.
Kolejnym krokiem wykorzystującym wiązki elektronowe było odtworzenie w skali podanej przez Feymana fragmentu Opowieści o dwóch miastach Karola Dickensa w 1985 przez Thomasa Newmana na Uniwersytecie Standford. Lata 80 i 90 XX wieku to okres dynamicznego rozwoju technik litograficznych oraz produkcji ultracienkich warstw kryształów. Już w roku 2007 uczeni z Tehnionu umieścili tekst Starego Testamentu w języku hebrajskim umieszczony na obszarze 0,5 milimetra kwadratowego na pokrytej złotem krzemowej płytce, wyrytej skupionym strumieniem jonów galu .
Historia ta ciągle się rozwija dając coraz to nowsze i posiadające wyjątkowe właściwości materiały, które znajdują zastosowanie w niemal każdej dziedzinie życia człowieka.
2.2. Przegląd zagadnień dotyczących nanotechnologii.
Podrozdział ten jest w całości napisany na podstawie [3] rozdziału 4.8.5 Carbon Nanotubes napisany przez A. Minett, K. Atkinson i S.Roth, mieszczący się w książce Handbook of Porous Solids.
Węgiel przez długi czas był znany jako paliwo, składnik paliwa strzelniczego, surowy materiał do wyrobu biżuterii, smar, barwnik oraz adsorbent. Dwie krystaliczne formy były znane jako: diament – bardzo twardy półprzewodnik o szerokim paśmie energetycznym, oraz drugi grafit – o warstwowej strukturze wraz z metalicznymi właściwościami wzdłuż warstw. Po odkryciu w 1985 roku fullerenu zasugerowano nową alotropową odmianę węgla. Fulleren C60 to praktycznie sferyczna cząsteczka złożona z sześćdziesięciu atomów węgla ustawionych w pięciokątnych i sześciokątnych figurach podobnie jak w przypadku piłki nożnej. Niedługo po tym zdarzeniu odkryto pochodne: fulleren C60 , fulleren C70 podobny do piłki z footballu amerykańskiego, wyższe fullereny, wielościenne fullereny, zrośnięte fullereny oraz w 1991 nanorurki węglowe.
Na Rys. 1 przedstawiono krystaliczną strukturę diamentu i grafitu, cząsteczkową strukturę fullerenu C60 i C70 oraz nanorurkę węglową. Obrazy wykonano samodzielnie w programie ChemSketch.
Rysunek 1: Krystaliczne struktury odmian węgla.
Węgiel ma cztery elektrony walencyjne, trzy z nich połączone z węglami sąsiednimi, a jeden pozostały jest zdelokalizowany w całej strukturze, podobnie jak elektrony w metalach. Z tego powodu materiały grafitowe są uznawane czasami za substancje metaliczne, gdyż wykazują przewodnictwo elektryczne. W fullerenach i nanorurkach przewodność zależy od struktury sferycznej czy też struktury nanorurki, co przekłada się na ciekawe zjawiska kwantowe.
Idealną strukturą diamentu lub grafitu jest pojedynczy kryształ nieograniczonej wielkości. Z praktycznych doświadczeń, tysiące bądź setki tysięcy odległości w jednym kierunku jest już uznawane za nieograniczoną wielkość. Odległości między atomowe są rzędu dziesiętnych nanometra ( 0,155 nm w diamencie ) , fizyczne właściwości wewnątrz kryształu w odległościach rzędu kilku mikrometrów od powierzchni są identyczne jak wewnątrz dużego kryształu, jedynie na zewnętrznych powierzchniach pojawiają się różnice. Fullereny są cząsteczkami o ściśle określonych rozmiarach ( 0.71 nm dla C60). Nanorurki są molekułami w ich przekroju, a wzdłuż osi są nieograniczoną bryłą. Często nanorurki mają kilkaset nanometrów lub nawet mikrometrów długości, dlatego, z punktu fizyki ciała stałego, ich długości są nieograniczone. Fizyczne właściwości nanorurek są bardzo interesująca z punktu fizyki molekularnej w przekroju rurki oraz z punktu fizyki ciała stałego wzdłuż osi rurki. Cząsteczka C60 może być rozmieszczona w sposób jak pokazany na Rys. 2 , tworząc przestrzeń sfer.
Rysunek 2: Przestrzeń fullerenów
Takie kryształy mają dwa rodzaje porów: przestrzeń między sferami oraz zamknięte pory wewnątrz sfer. Pory pomiędzy sferami mogą być wypełnione przez różne atomy, szczególnie przez atomy alkaliczne. W pewnych warunkach, jak domieszkowane kryształy fullerenów mogą stawać się nadprzewodnikami, oraz wykazywać wysokie nadprzewodnictwo w warunkach temperaturowych nawet powyżej 33K. Dodatkowo zamknięte pory wewnątrz sfery mogą być wypełnione różnymi atomami, co wpływać może na odmienne właściwości fizykochemiczne. Są to tak zwane endofullereny,.
Rysunek 3: Zdjęcia wykonane transmisyjnym mikroskopem elektronowym obrazujące nanorurkę węglową w rdzeniu wykonanym z atomów żelaza[3].
Podobnie jak fullereny, nanorurki mogą układać się w nanorurkowe pasma lub też liny. Wewnątrz tych pasm nanorurki są regularnie upakowane, także pory występują zarówno pomiędzy rurkami jak i wewnątrz rurek. Słowo „-rurka” oznacza, że jest to pusta tuba jak i długi por o średnicy około 0,7nm.W przypadku fullerenów, wydrążony wewnątrz nanorurek kanał może pomieścić „gości” takich jak: metale, halogenki oraz gaz co pokazane jest na Rys.3 wykonanym na transmisyjnym mikroskopie elektronowym.
Zarówno fullereny jak i endofullereny, które mają zamknięte atomy metali w swoich strukturach, mogą być zamknięte w innych strukturach nanomateriałów.
Wymyślono specjalnie nazwę peapod dla nanorurek węglowych wypełnionych fullerenami. Na Rys.4 pokazano zdjęcie wykonane transmisyjnym mikroskopem elektronowym peapoda zawierającego fulleren C60, a na Rys.5 można zobaczyć wypełnionego peapoda z atomami gadolinu Gd.
Rysunek 4: Zdjęcie peapoda wykonane transmisyjnym mikroskopem elektronowym.
Rysunek 5: Zdjęcie peapoda, A- wykonane TEM, B – symulacja komputerowa.
Rysunek 6: Zdjęcie bucky paperów wykonane techniką SEM.
Nanorurkowe liny mogą tworzyć poplątane sieci przypominające watę czy też kłębek poplątanych nici, które często nazywane są „backy paper-ami”, nawiązując do Amerykańskiego architekta Buckminstera Fullera, znanego ze struktury wielościennej kopuły. Na Rys.6 pokazano zdjęcie bucky paperów, wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM). Taki materiał ma trzy rodzaje porów: duże pory pomiędzy linami nanorurkowymi ( jedyne widoczne pory za pomocą SEM ) , pory pomiędzy rurkami oraz pory wewnątrz rurek.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz