Černí trpaslíci

Martin Tůma  |  Věda
Černí trpaslíci

Není to vidět, každý o tom mluví a točí se v tom velké peníze. Jestlipak víte, o čem je řeč? Teď nemám na mysli globální oteplování anebo třeba rozvoj naší dálniční sítě, nýbrž nanomateriály. Tomuto tématu se náš časopis soustavně věnuje a dnešní pokračování volného cyklu článků na toto téma se bude týkat nanostruktur uhlíku. Ve světě, kde lidský vlas je silným lanem a blecha opravdovým obrem, ve světě nanitů, dokážou vědci stvořit z uhlíkových atomů neuvěřitelné věci. Nanos je řecky trpaslík, budeme se tedy pohybovat v rozměrech 10e-9, tedy 0,000 000 001 m, tam, kde se již počítá s jednotlivými atomy.

Letos tomu bude už, nebo možná teprve, 102 let od chvíle, kdy Leo Hendrik Baekeland poprvé vyrobil prapředka všech umělých hmot – bakelit. Díky šikovnému využití polymerizace jsme tak zavaleni tunami umělých hmot na všech stranách. Platí, že čím lepší je polymerace, tím kvalitnější je výsledek. Hon za co nejlepšími procesy polymerizace vyústil nakonec ve výrobu nanomateriálů tvořených jednou gigantickou molekulou z bezpočtu atomů.

Prostě uhlík

O tom, že uhlík může krystalizovat do podoby velmi exotických molekul ve tvaru kopacího míče, prstence, poháru, se mezi vědci spekulovalo už po druhé světové válce. Poprvé se povedlo vyrobit fullereny (svůj název dostaly po Buckminsteru Fullerovi, který se proslavil futuristickými konstrukcemi kopulí podobných tvarů) pyrolýzou až na sklonku minulého století, na praktické využití jsme si ale museli počkat až do nedávné doby.

Tyhle materiály, především velmi populární „fotbalový míč“ C60 (správné pojmenování je fullerit), jsou tvrdší než diamant, mohou být dokonalými izolanty, anebo naopak supravodiči. S trochou cesia lze dosáhnout jejich supravodivosti při teplotě kolem 30 K. Ale nemusí to být přímo supravodivost – příměs 18% fullerenu do mědi zvýší její vodivost 100×. Prozatím neexistuje ucelená teorie o tom, jak se chovají elektrony ve složitých molekulách fullerenů a co může za supravodivost.

To ale nebrání dalším experimentům – například C60 obklopený polymery s příměsí alkalických kovů mohou být průlomem v oblasti fotovoltaických článků. Tak velké a přitom stálé molekuly, jako jsou fullereny, se přímo nabízejí coby ideální dopravní prostředek pro dopravu různých látek, především léků, až do nitra buněk. Jeden druh fullerenů má tvar pohárku a vědci se dnes snaží vyrobit na něj pokličku z enzymů, které by udržely lék vevnitř a teprve po navázání se na konkrétní protein, třeba rakovinné buňky, by jej uvolnily do nitra buňky. Umožnilo by to chemoterapii, o jaké se nám dnes ani nezdá.

Diamanty pro magnetickou rezonanci

Magnetická rezonance je vynikající prostředek, jak získat přehled o stavu vnitřních orgánů pacienta bez nutnosti operace. Bohužel to má pro pacienty i vedlejší následky – před zákrokem je nutno do těla vpravit kontrastní látku s příměsí kovu, který může nadělat neplechu. Úsilí vědců z univerzit v německém Stuttgartu a francouzském Évry, kteří na konci května tohoto roku oznámili objev, jak levně a ve velkém množství vyrábět syntetické diamanty, otevřelo dveře nové generaci kontrastních látek pro MRI – fluoreskujícím nanodiamantům.

Tyto mikrokrystaly uhlíku s různými příměsmi jsou velmi stálé, netoxické, díky svým rozměrům se dostanou naprosto všude a interagují s magnetickým polem, což je nezbytný předpoklad pro MRI. Jejich fotostabilita je daleko za hranicemi současných látek, takže svoje uplatnění najdou i v dlouhé řadě dalších výzkumů v oblasti lékařství a biologie. Průlomu se podařilo dosáhnout i u fullerenů. Tým vědců z Virginie začátkem července zveřejnil postup, jak tyto molekuly nadopovat radioaktivním izotopem lutecia (Lu3N@C80) a potom tuto látku směrovat přímo do buněk zhoubného mozkového nádoru.

Svaly ze vzduchu

Karbonové nanotrubičky známé pod zkratkou CNT jsou dalším materiálem z rodiny fullerenů. Tyto trubičky se „pěstují“ ze zárodečné molekuly fullerenu do podoby dlouhého svazku (rekord je 18 mm), anebo do podoby hustého „bambusového lesa“ CNT. Od této formy se potom odvíjí jejich další využití. Pokud postupem, který v březnu tohoto roku zveřejnili vědci z Texaské univerzity v Dallasu, odvinete z „bambusového lesa“ spleť CNT s příčnými výztuhami v podobě tenkého dlouhého hada, potom stačí pouhých 0,2 % těchto trubiček jako příměs do čistého vzduchu a získáte látku neuvěřitelných vlastností – aerogel.

Výsledný produkt má v jednom směru vyšší pevnost než ocel, kolmo na něj je pružnější než nejlepší guma. I když je to skoro jenom samý vzduch, při přivedení napětí se dokáže roztáhnout do trojnásobné šířky, protože elektrický náboj na stěnách trubiček je odpuzuje od sebe navzájem. V porovnání s lidským svalem je 32× silnější a 4000× rychlejší. Dokáže pracovat v kapalném dusíku (–196 °C) i v roztaveném železe (více než 1600 °C), tisíckrát za sekundu se roztáhnout a zase stáhnout bez toho, že by se poškodil. Ideální materiál pro svaly robotů, ale jeho optické a elektrické vlastnosti otevírají širokou oblast možných aplikací.

Lepidlo, paměť a kamera

Tak žhavý kandidát na supermateriál století má velkou řadu dalších aplikací. „Vidím nanotrubičky všude,“ tvrdí Ray Baughman, profesor chemie a šéf NanoTech institutu na univerzitě v Dallasu, jeden z vědců podílejících se na výrobě aerogelu z CNT. A přehled novinek v této oblasti jenom za poslední měsíc mu dává za pravdu. Jednou z velmi zajímavých aplikací je využití CNT jako lepidla pro novou generaci kompozitních materiálů v letectví. Vědecký tým z MIT předvedl letos v květnu, jak pomocí CNT slepit dvě vrstvy sendvičového kompozitu – je to možné díky speciálnímu roztoku polymeru, z něhož při tvrzení vykrystalizují právě miliardy CNT. Většina z trubiček je pevně zakotvena jedním koncem v každé z lepených vrstev. V současnosti se jedná o nejpevnější možné spojení, jaké dokážeme vyrobit.

Další možnost využití CNT díky jejich tvaru je v elektronice jako nový typ paměťového média o čtyřnásobné kapacitě oproti současné nejlepší technologii. CNT jsou uspořádány podobně jako komůrky ve včelí plástvi, jenom místo medu v sobě mají nanokrystal železa. Podle pozice tohoto krystalu, tedy blíže kterému konci trubičky je, se potom jedná o 1 nebo o 0. Pokud by se podařilo zvýšit citlivost snímacího a zapisovacího zařízení, aby dokázalo jak číst, tak umístit krystal železa do přesněji definovaného úseku CNT, paměťová kapacita by vzrostla násobně. Již teď je možno na 1 cm2 vměstnat 160 GB informace. A nejzajímavější na tom celém je trvanlivost zaznamenané informace.

Pyramidy se rozpadnou, Slunce spálí vše v naší sluneční soustavě na popel a vyhasne, ale fotky z vaší dovolené, uložené na tomto médiu, půjdou stále bez problémů přečíst (pokud nebudou zničeny zároveň s celou naší soustavou). Ano, jedná se o miliardy let trvanlivý záznam informace. Ale nejsou to jenom mechanické vlastnosti, které činí CNT zajímavé pro výrobce elektroniky, CNT mají velmi speciální schopnosti práce s elektrickým nábojem. Toho využívá návrh infračervené kamery, tedy termovize, založené na CNT jakožto převodníku světla na elektrický signál.

Výsledné zařízení bude mít podobnou citlivost jako současné vysoce citlivé infračervené detektory v medicíně, astronomii a samozřejmě v armádě, ale oproti nim nebude potřebovat chlazení kapalným dusíkem, protože bude pracovat při pokojové teplotě. A nejenom výrobci elektroniky prahnou po nových supermateriálech. V textilním odvětví již dnes existuje řada aplikací nanovláken a je jenom logické, že se testuje i využití CNT v této oblasti. Profesor Nicholas Kotov z Michiganské univerzity předvedl letos v květnu prototyp chytré textilie, která díky příměsi CNT dokáže detekovat krev – ideální pro obvazy upozorňující na obnovení krvácení, anebo pro chytré uniformy předávající varování o zranění svého nositele.

Možná budoucnost - bojový oblek se svalstvem z nanovláken ve hře Crysis.

Na špičce tužky

Jestli existuje v současnosti materiál, který vyfoukne CNT jejich titul supermateriál století, pak je to grafen. Pokud držíte v ruce obyčejnou tužku, jenom těžko byste řekli, že v grafitu jejího hrotu se nachází dost grafenu na konstrukci superprocesoru. Tato látka je totiž předurčená pro revoluci v konstrukci tranzistorů. Přitom je to pouze jeden atom tlustá síťka ze šestiúhelníkových ok tvořená výhradně atomy uhlíku.

Právě tato struktura ale nedává vědcům spát, už dlouho se snaží vyrobit z něj superrychlou obdobu polem řízeného tranzistoru (FET). Až donedávna ale dosažené výsledky pokulhávaly daleko za teoretickými předpoklady. Aby mohl grafen, respektive zařízení konstruované ze dvou těsně nad sebou umístěných mřížek tohoto materiálu, fungovat jako spínač, bylo potřeba mu „vnutit“ tzv. zakázané pásmo, tedy pásmo typické pro polovodičové spínače, blokující přechod elektronu z valenčního do vodivostního pásma. A to se dlouho nedařilo, až v nedávné době se přišlo na to, že to bylo kvůli nedokonalostem ve struktuře použitého materiálu. Samotný proces syntézy grafenu byl dlouhou dobu pro vědce nerozlousknutelným oříškem.

V současnosti je nejperspektivnější metoda výroby grafenu rozseknutím jednostěnné CNT po délce do jednovrstvé mřížky. Nicméně pro potřeby týmu ve složení Wang, Zhang a Tang z UC Berkeley se mnohem více osvědčila metoda extrakce grafenu přímo z grafitu, jak uvedli ve svém článku pro letošní červnové vydání časopisu Nature. Na této bázi se jim potom podařilo vyrobit ekvivalent FET tranzistoru. Tento spínač má sice zakázané pásmo jenom o výšce 250 meV (oproti křemíku třetinové), ale dosahuje desetkrát vyšší pohyblivosti elektronů, a tím i podstatně vyšší rychlosti než klasické FET tranzistory.

Ani samotné změření zakázaného pásma nebylo jednoduché, podobně jako zařízení nefungovalo při nedokonalostech ve struktuře materiálu, kolabovalo i při klasických metodách měření. Až díky ozařování infračerveným laserem a měření absorpce světla dokázali vědci tuto hodnotu spočítat. I když je toto zařízení jenom pramálo efektivním technologickým demonstrátorem, je to základní kámen pro širokou paletu dalších výzkumů a snad i praktických aplikací. Díky rozměrům obou vrstev a jednotlivých „buněk“ materiálů může být na 1 mm čtverečném více než milion samostatných bran, které mohou pracovat na frekvenci od 1THz, tedy až do oblasti infračerveného světla, a tvořit tak aktivní prvky na rozhraní mezi elektronikou a optikou.

Monomolekulární ostří – MOMO

Ze všech výše uvedených typů materiálů v současnosti dokážeme nejlépe vyrábět nanotrubičky. Poté co se je podařilo rozpárat do grafenových mřížek, zkoušejí jít vědci ještě dále a rozplést grafen do řetězu atomů. Takové struktuře se říká kumulen a Kazu Suenagovi a jeho Nanoscale Characterization Teamu z AIST Carbon centra v Japonsku se podařilo v letošním květnu jej vyrobit. Pomocí paprsku elektronového mikroskopu o energii 120 keV vypárali z grafenu řetěz o délce 16 atomů uhlíku.

MOMO vlákno bylo velmi stabilní a podle vyjádření doktora Suenagy je to excelentní vodič se širokými možnostmi využití, od různých detektorů až po spínače a paměťové prvky o velikosti jednotlivých atomů. Při použití MOMO jako ostří lze vyrobit nůž, který přeřízne cokoli kromě laserových mečů ze Star Wars. Ale na rozdíl od této sci-fi se s nástroji vyrobenými touto technologií mohou za pár let provádět operace na úrovni buněčných organel.

Selský rozum na ten zapomeňte

Některé vlastnosti nanomateriálů jsou více než podivné. Uvedu jeden příklad z mnoha, který je ale velmi zajímavý, dosud čeká na potvrzení nebo vyvrácení a týká se chování elektronu v grafenu. Grafen má podobu šestiúhelníkové mřížky o šířce jednoho atomu a podle některých měření se v něm pohybující elektrony chovají, jako by neměly žádnou hmotnost. Jedná se o tzv. Kleinův paradox a podobné chování bylo předpokládáno pouze blízko černých děr. Jedná se o chování elektronu, zavřeného do nepropustné krabice z křemíku.

Podle klasické fyziky se z ní nemůže dostat. Kvantová fyzika předpovídá, že by se mohl ven protunelovat, avšak čím silnější stěny, tím menší naděje na únik. Podle Kleinova paradoxu ale platí, že když elektron dosáhne dostatečné rychlosti, žádné stěny pro něj neexistují a prochází jimi jako volným prostorem. Pokud se tedy potvrdí, že v grafenu se pohybují elektrony rychlostí světla, otevírá se cesta k ultrarychlým tranzistorům. Ale i pokud se tyto předpoklady nepotvrdí, je grafen cestou k tranzistorům pracujícím na frekvenci kolem 1 THz.

Nanospider a Nanokolovrat

V oblasti nanotechnologií se naše země může pochlubit světovými úspěchy. Technická univerzita v Liberci a s ní úzce spolupracující společnost Elmarco vlastní mnoho patentů na výrobu nanovláken a následnou výrobu netkaných nanotextilií. Zařízení Nanospider je dnes světovou špičkou v oboru a princip jeho práce je, jako u všeho úspěšného, až geniálně jednoduchý. Základním prvkem stroje jsou dvě elektrody, mezi nimiž existuje elektrostatické pole. Spodní elektroda má tvar válce, který je ponořen do roztoku polymeru.

Válec se otáčí a vynáší tenkou vrstvu roztoku do elektrostatického pole, které z roztoku vytáhne dlouhá vlákna až ke druhé elektrodě. Zde vlákna narazí na podkladovou textilii, na které jsou vynášena ven ze stroje. Podle vlastností použitých polymerů je potom možno vyrábět velké množství materiálu. O stroje společnosti Elmarco je ve světě velký zájem a k nejprestižnějším zákazníkům patří americká armáda. Z Nanospidera je odvozena učební pomůcka Nanokolovrat, která popularizuje výsledky výzkumu – na různých akcích si zájemci mohou vyrobit svůj vlastní vzorek nanotextilie.

Lano pro kosmický výtah

Lano pro kosmický výtah

Fyzika se nedá ošálit – pokud neobjevíme antigravitaci nebo jinou fintu, pořád budeme potřebovat energii na vyhrabání se z gravitační studně. Průlom by znamenal objev způsobu, jak tuto energii dodávat zvenčí. Už Konstantin Eduardovič Ciolkovskij navrhoval postavit vysokou věž. Mnohem praktičtější než stavět věž je koncepce kosmického výtahu, který ve své knize Rajské fontány podrobně popisuje A. C. Clark. Dostatečně dlouhé lano, nebo lano se závažím na konci, je schopno díky rovnováze mezi odstředivou a gravitační silou zůstat napnuté a poskytovat tak oporu pro zařízení po něm šplhající nahoru.

Tomuto zařízení se říká climber. Zatím nejnadějnějším druhem pohonu se jeví napájení laserovým paprskem. Po dlouhou dobu bylo lano ze Země do vesmíru jenom utopií, protože i sebelepší ocelové lano se přetrhne vlastní vahou při délce kolem 10 km, ani kevlar na tom není o mnoho lépe. Proto byla tato myšlenka stále znovu objevována a zase zapomínána, ale od roku 1991 je vše jinak.

Tehdy se poprvé podařilo v laboratoři syntetizovat carbonové nanotrubičky (CNT), materiál, který má 180× větší pevnost v tahu než nejlepší ocel, materiál, z něhož by toto lano šlo vyrobit. Problém je ten, že dodnes dokážeme vyrobit CNT o maximální délce několik centimetrů, ale tato délka se každým rokem zvyšuje spolu s tím, jak klesá cena tohoto výrobku. Kosmický výtah se ze stránek sci-fi tak pomalu přesouvá do reálných technologií. NASA pořádá každoročně obdobu Ansari X Prize pro tuto oblast, soutěží se v konstrukci lana i climberů. První kosmický výtah ale zřejmě nebude na Zemi, nýbrž na Měsíci, kde na jeho konstrukci postačí i kompozit.

Maxwellův nanodémon

V roce 1867 použil J. C. Maxwell tuhle potvůrku v myšlenkovém experimentu, když bádal o přenosu tepla a kinetické teorii plynů. Tento démon se měl postarat o ovládání dvířek mezi dvěma baňkami s plynem o různých teplotách a zajistit, aby skrze dvířka prošly jenom molekuly, které mají patřičnou rychlost (čím rychlejší molekula, tím je teplejší). A celé to mělo fungovat přesně proti empirické zkušenosti a také druhému termodynamickému zákonu, otvíráním dvířek měl démon zajistit, aby se teplejší baňka dále zahřívala na úkor té studenější. Od té doby byl tento démon již několikrát z vědy vymítán, ale pokaždé se znovu objeví.

Obzvláště ve světě nanostruktur, kde náhodná teplotní fluktuace, kterou lze v makrosvětě zanedbat, získává na důležitosti. Při simulaci svoustavové nanopaměti mazané teplem fyzikové Raoul Dillenschneider a Eric Lutz zjistili, že vlivem teplotních fluktuací lze tuto paměť smazat tak, že tím vlastně poruší druhý termodynamický zákon. Ovšem nepropadejte panice, fyzika i nadále funguje. Co ve školách běžně neučí, je to, že termodynamické zákony mají statistický charakter, takže by se mělo říkat, že je vysoce pravděpodobný tok tepla od teplejšího ke studenějšímu.

Nejčtenější