Warto przeczytać

Grafit i diament to węgiel. Grafit miękki, diament twardy jak ……diament. Grafit przewodzi prąd elektryczny, diament jest izolatorem. Jak to możliwe? Oba materiały zbudowane z tych samych atomów, a mają diametralnie różne własności. Tajemnica tkwi w ułożeniu tych atomów i ich wiązaniach. W graficie atomy tworzą sześcioczłonowe pierścienie połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi tylko w jednej płaszczyźnie. Płaszczyzny te trzymają się słabymi siłami zwanymi wiązaniem van der WaalsaWiązanie van der Waalsavan der Waalsa. A w diamencie atomy powiązane są bardzo silnym wiązaniem kowalencyjnym: każdy atom węgla wiąże się z czterema innymi i tworzą podstawową strukturę w kształcie czworościanu foremnego. W strukturze tej nie ma wolnych (niezwiązanych) elektronów. Grafit i diament – są to odmiany alotropowe węgla. Okazuje się , że nie jedyne! Należą do nich jeszcze grafen, fullerenyFullerenyfullereny i nanorurki. Ze względu na to, że ich własności związane są z rozmiarami rzędu miliardowych części metra nazywa się je również nanostrukturami.

RqyfmF6knDoI8

Rys. 1. ilustruje schemat ułożenia warstw atomów w graficie. Przedstawia cztery identyczne warstwy, jedna pod drugą. Każda warstwa jest w formie plastra miodu i złożona jest z sześciu sześciokątnych komórek.

RfTFosop3Knyn

Rys. 2. ilustruje schemat ułożenia atomów w grafenie. Ma postać pojedynczej warstwy w formie plastra miodu złożonej z sześciu sześciokątnych komórek.

Właśnie z grafitu (Rys. 1.) uzyskano pierwszą bardzo ciekawą nanostrukturę – grafen (Rys. 2.).

GRAFEN, czyli 2D

Grafen zbudowany jest z pojedynczej warstwy atomów węgla. Atomy węgla tworzą w grafenie płaską, dwuwymiarową siatkę, której struktura przypomina plaster miodu. Dlatego o tej nanostrukturze można powiedzieć (w pewnym uproszczeniu), że jest dwuwymiarowa – 2D.

Każdy z nas robił kiedyś takie pojedyncze warstwy grafenu, używając ołówka. Grafit zawarty w ołówku to nic innego, jak wiele warstw grafenu ułożonych jedna na drugiej. Pisząc ołówkiem zostawiamy takie warstwy na kartce papieru.

Grafen jest doskonałym przewodnikiem elektrycznym i termicznym. Posiada unikalne własności optyczne i mechaniczne. Wszystko to powoduje, że prowadzone są intensywne prace nad zastosowaniem tego niedawno odkrytego dwuwymiarowego materiału w różnych dziedzinach nauki i techniki.

Obecnie nowe i zaawansowane materiały oparte są na nanotechnologii. Nanomateriały to materiały, które mają pojedynczą jednostkę (element budulcowy) o wielkości (w co najmniej jednym wymiarze) około 1‑100 nanometrów.

Niezwykle mały rozmiar powoduje wiele interesujących właściwości:

• wytrzymałość mechaniczna (grafen jest 10 razy twardszy niż stal),

• stabilność termiczna i odporność termiczna (grafen można podgrzać do 2000°C),

• wysoka przewodność elektryczna (grafen ma 20 razy lepszą przewodność elektryczną niż miedź),

• właściwości optyczne (unikalne właściwości emisji i absorpcji – grafen ma 97% przezroczystości).

R3I565JvO6ES9

Rys. 3. ilustruje zwinięty w nanorurkę grafen. Ma postać zwiniętej w rulon warstwy w formie plastra miodu złożonej z sześciokątnych komórek.

NANODRUTY I NANORURKI, czyli 1‑D

Nanostruktury jednowymiarowe to takie przestrzenne obiekty, w których dwa z wymiarów przestrzennych obiektu są poniżej 100 nm, a tylko jeden może przyjmować wielkości makroskopowe. Do tej grupy zaliczyć można różnego rodzaju nanorurki i nanodruty. Dla przykładu nanorurkę węglową można wyobrazić sobie jako pojedynczą warstwę grafenu zwiniętą w rulon o średnicy ok. 1 nm (stąd nazwa „nano”- rurka). Istnieją też nanorurki wielościenne tzn. nanorurka włożona w drugą nanorurkę. Nanodruty natomiast mają trochę inną strukturę. Wyglądają bardziej jak walec niż cylinder, czyli w środku są pełne w przeciwieństwie do nanorurek.

Nanostruktury jednowymiarowe można robić z różnych materiałów, np. węgla, krzemu, złota.

Wszystkie opisane powyżej nanostruktury są wykorzystywane do badań nowych zjawisk fizycznych lub chemicznych oraz do budowania nowych nanourządzeń.

W dwóch poniższych tabelach porównano własności tradycyjnego grafitu z grafenem (2D) i nanorurkami (1D), czyli grafenem tworzącym inną strukturę.

Tabela 1. Porównanie własności grafitu i grafenu

[1] https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0712/0712.4020.pdf

[2] Michael Stefanescu, Advances in the Science and Engineering of Casting Solidification: An MPMD Symposium Honoring Doru

[3] http://www.azom.com/properties.aspx?ArticleID=516

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene

Tabela 2. Porównanie własności grafitu i nanorurek

[1] https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0712/0712.4020.pdf

[2] Michael Stefanescu, Advances in the Science and Engineering of Casting Solidification: An MPMD Symposium Honoring Doru

[3] http://www.azom.com/properties.aspx?ArticleID=516

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube#Strength

[5] Du1rkop T., Getty S. A., Cobas E., Fuhrer M. S., Extraordinary Mobility in Semiconducting Carbon Nanotubes, American Chemical Society, 2004, Vol. 4, No. 1, p. 35‑39

KROPKI KWANTOWE – czyli 0‑D

Nanostruktury zerowymiarowe (kropki kwantowe) – wszystkie wymiary przestrzenne takiej struktury są poniżej 100 nm, a często przyjmuje się, że poniżej 10 nm. Jednym z ciekawszych przykładów jest fulleren, który zawiera 60 atomów węgla (tzw. CIndeks dolny 60₆₀) ma kształt dwudziestościanu ściętego, czyli wygląda dokładnie tak jak piłka futbolowa. Fullereny mogą zawierać od 28 do 1500 atomów węgla tworzących zamkniętą regularną strukturę pustą w środku. Innym przykładem są tzw. koloidalne kropki kwantowe, które również przypominają kształtem piłkę, z tą jednak różnicą, że w środku są pełne. Jedną z ciekawych własności tych kropek jest to, że w zależności tylko od ich rozmiarów potrafią emitować światło w różnych kolorach. Ponadto naukowcy potrafią budować jednowymiarowe struktury dosłownie atom po atomie.

Fotografia przedstawia kropki kwantowe z selenku kadmu (Fot. 1.). Każda z nich ma inne rozmiary i emituje inną barwę światła.

R8foRvTUAFRBE

Fot. 1 przedstawia tzw. kropki kwantowe selenku kadmu. Na czarnym tle widoczny układ pięciu różnobarwnych pionowych walców tej samej wielkości widzianych od góry z boku. Barwy walców, kolejno od lewej: jasnoniebieska, jasnozielona, żółta, pomarańczowa i czerwona. Nad walcami napisy w kolorze białym, kolejno od lewej: 2.0 nm, 2,5 nm, 3.0 nm, 3,9 nm, 4.2 nm.

ZASTOSOWANIA NANOSTRUKTUR

Nanomateriały są strukturami, które ze względu na swoje unikatowe właściwości (np. elektryczne, optyczne, mechaniczne) rozbudzają wyobraźnię nie tylko naukowców, ale również przemysłu. Wytwarzanie nowych materiałów otwiera nowe możliwości zastosowań w różnych dziedzinach życia. 

W ostatnim czasie, używając grafenu udało się skonstruować tranzystor pracujący z rekordową szybkością 300 GHz. Dla porównania, procesory, które są w naszych komputerach pracują z szybkością co najwyżej kilku GHz.

Ponadto, grafen może być używany jako super wytrzymały papier. Papier zrobiony z grafenu jest kilkanaście razy bardziej wytrzymały od stali i dwa razy od niej twardszy, mimo iż wygląda jak zwykły czarny papier.

Bardzo dużym zainteresowaniem cieszą się nanostruktury w medycynie. Od wielu lat prowadzone są badania nad nowymi metodami leczenia z wykorzystaniem nanostruktur, które mogłyby np. dostarczać leki bezpośrednio do chorej komórki. Transport miałby się odbywać poprzez zamknięcie leku w nanokapsułce węglowej (wytworzonej np. z fullerenu lub nanorurki węglowej), której środek miałby być wypełniony lekiem. Jeżeli środek wypełniony jest materiałem ferromagnetycznym, taka nanostruktura staje się małym magnesem zapakowanym w izolujące atomy węgla. Taka nanokapsułka może być przesuwana przy pomocy zewnętrznego pola magnetycznego.

Już od jakiegoś czasu nanotechnologiaNanotechnologiananotechnologia stosowana jest w kosmetyce, pozwalając np. na uzyskanie różnego rodzaju kremów, które dopasowują się do skóry na poziomie molekularnym. W sklepach można dziś kupić kremy ochronne, przeciwsłoneczne, filtry UV i emulsje antybakteryjne. Wszystkie te specyfiki zawierają rożnego rodzaju nanostruktury poprawiające ich właściwości.

Słowniczek