NANOCEVI

2. NANOCEVI

3. N 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 radaAFM-a je sličan onome kod nekadašnjeg gramofona. Mala sonda – nit ili šiljak piramidnog oblika tipičneširine 2 do 30 nanometara – dovodi se u direktni kontaktsa uzorkom.Nakon toga se pomiče prema kraju poluge,koja se savija kako se šiljak kreće po reljefnoj površiniuzorka. Sonda može da kontinualno prati reljef podloge, da vibrira ili skakuće po njoj. Pomak u nagnutom smjeru mjeri se refleksijomzraka lasera od vrha poluge. AFM može detektovati varijacijeu vertikalnoj topografiji koje su manje od dimenzijašiljka. 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 skenirajućiuređaji, uz elektronski mikroskopkojim se dopunjuju, glavni su instrumenti u istraživanju i laboratorijskoj gradnji nanostruktura.

4. Veličina:prečnik 0,6 do 1,8 nm, dužina 1 do 10 μm • Gustina: 1,33 do 1,40 g/cm3 • Čvrstoća na istezanje:najmanje 10 puta veća od čvrstoćelegiranog čelika, ili oko 20 puta veća • Čvrstoća na pritisak:dva reda veličine veća nego kod dosadnajčvršćih Kevlarvlakana • Tvrdoća: prosečno oko 2000 gigapaskala, što jeskoro 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 6000W/m⋅K(čisti dijamant 3320 W/m ⋅ K) • Temperaturna stabilnost:u vakuumu do 2800 ºC, a vazduhu do 750ºC (metalni vodovi u čipovima tope seizmeđu 600 i 1000 ºC) • Provodljivost struje:procjenjuje se na 1 mrd A/cm2! (bakrenažica 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). Nanocevi Istražuju se mnogi materijali i njihove kombinacije,načini proizvodnje i primena. Ipak jedan proizvodiz tog područja – ugljenična nanocev (carbon nanotube,buckytube) – jedan je od najzaslužnijih za tolikiinteres za nanotehnologiju. To je potpuno jasno kada imamo uvidu svojstva tog materijala. Nanocevi su izgrađene samo od atoma ugljenika. Zamislimoravnu mrežu pravilnih šestougaonikačiji su čvoroviatomi 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 ilipoluprovodnici. Takva struktura ima sljedeća svojstva:

5. 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. Ugljenične nanocevi otkrio je 1991. godine industrijskiistraživač Sumio Iijima u velikoj japanskoj elektrotehničkoj kompaniji NEC. Nekoliko skraćenih izjava naučnika o nanocevima: »Nanocevi su prema mom mišljenju najbolji emiterielektrona na svetu«, procenjuje prof. Andre Chatelain »najmanje deset puta bolje od dosad raspoloživih izvoraelektrona«. Istraživač na Ecole Polytechnique u Lausannei, Švicarska, nastavlja: »Nanocevi pred sobom imajubasnoslovnu 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, skačuelektroni iz vrhova nanocijevi. Fizičari govore o »hladnompražnjenju iz šiljaka« – suprotno katodnim cevima utelevizorima i monitorima računara, gde se katode grejuda bi se »izvukli« elektroni.

6. Naučnici su razradili tri načina dobijanja čađi,koja sadrži zntan deo nanocevi. Ipak, metode su sa ozbiljnim ograničenjima: sve proizvode smešu nanocevis 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 makroskopskihkoličina 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 metalnikatalizator pomogli su da grafitne elektrode moguproizvesti jednozidne i višeszidne nanocevi sa nešto ili bez strukturnih defekata. Cijevi su različitih imanjih dužina. b) Morinubo Endo sa Shinshu univerziteta u Japanu prvije proizveo nanocevi hemijskim naparivanjem. U pećise greje supstrat, a spolja se dovodi gas koji sadržiugljenik. Gas se raspada, a ugljenik se rekombinuje u nanocevina supstratu. Naknadno pronađenim poroznimkatalizatorom uspeva se veliki deo ugljenika iskoristiti, adelimično 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).

7. 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. 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.

8. Kreiran je i FET tranzistor od nanocevi. Sada je izazov spajanje tih sitnih komponenti međusobno.Čini se da će izbijanje elektrona (field emission) iz nanocevibiti veliko i važno područje. Već su proizvedeniprvi svetleći uređaji i displeji. S obzirom na svojstva nanoceviće verovatno biti upotrebljene za vođenje velikihstruja a posebnim slučajevima takođe i kao provodnici toplote. Veruje se da će se i memorije velike gustine podatakarešavati nanotehnologijom. Kompanija IBM već ima glavu sviše nanometarskih slojeva za čitanje vrlo gusto spremljenihpodataka na novim diskovima.Posebno je zanimljiva medicina kao perspektivno područje primenenotehnologije. Mnogo se o tome piše(često čak zvuči kao naučna fantastika), a čini se dasu sledeće primene realne: – objekti nanometarske veličine od neorganskih materijalamoći će poslužiti u biomedicinskim istraživanjima,dijagnozama i isto tako u terapiji; – biološki testovi koji mere ponašanje ili aktivnost odabranihsupstancija postaju brži, osjetljiviji i fleksibilnijiako se određeni delići nanometarske veličine uključeda funkcionišu kao oznake ili etikete; – nanostrukture bi mogle biti upotrijebljene za dostavuleka (drag carrier) upravo tamo gdje je potreban, izbjegavajući štetne popratne efekte koji su često rezultatjakih lijekova; – umetne nanometarske građevine mogle bi jednog danabiti 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.

9. Kreiran je i FET tranzistor od nanocevi. Sada je izazov spajanje tih sitnih komponenti međusobno.Čini se da će izbijanje elektrona (field emission) iz nanocevibiti veliko i važno područje. Već su proizvedeniprvi svetleći uređaji i displeji. S obzirom na svojstva nanoceviće verovatno biti upotrebljene za vođenje velikihstruja a posebnim slučajevima takođe i kao provodnici toplote. Veruje se da će se i memorije velike gustine podatakarešavati nanotehnologijom. Kompanija IBM već ima glavu sviše nanometarskih slojeva za čitanje vrlo gusto spremljenihpodataka na novim diskovima.Posebno je zanimljiva medicina kao perspektivno područje primenenotehnologije. Mnogo se o tome piše(često čak zvuči kao naučna fantastika), a čini se dasu sledeće primene realne: – objekti nanometarske veličine od neorganskih materijalamoći će poslužiti u biomedicinskim istraživanjima,dijagnozama i isto tako u terapiji; – biološki testovi koji mere ponašanje ili aktivnost odabranihsupstancija postaju brži, osjetljiviji i fleksibilnijiako se određeni delići nanometarske veličine uključeda funkcionišu kao oznake ili etikete; – nanostrukture bi mogle biti upotrijebljene za dostavuleka (drag carrier) upravo tamo gdje je potreban, izbjegavajući štetne popratne efekte koji su često rezultatjakih lijekova; – umetne nanometarske građevine mogle bi jednog danabiti 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.