A szervetlen nanocsövek mint a jövő technológia anyagai

Az ME Szeged sorozatában Kiricsi Imre, a Szegedi Tudományegyetem professzora tartott előadást A szervetlen nanocsövek mint a jövő technológia anyagai címmel.

Tíz a mínusz kilencediken nagyságrendű méretekről esett szó az előadáson. Ez olyan, mintha egy üveggolyót viszonyítanánk a Földhöz. A szén nanocső egy hajszálhoz viszonyítva olyan, mint egy létra egy átlagos kaliforniai mamutfenyőhöz viszonyítva. Ha meg akarjuk vizsgálni a nanocsöveket, akkor fénymikroszkóppal nem megyünk semmire - az elektronmikroszkóp lesz az egyetlen hasznos eszköz.

A nanotechnológia a jövő iparága, amely azokon a tudományos és technikai eredményeken alapul, amelyek az elmúlt húsz évben gyűjtött össze az emberiség. Az előadásban hallhattunk arról, hogy milyen, szervetlen eredetű alapanyagokból lehet csöves nanoszerkezeteket szintetizálni. Egy-egy példát kaphattunk négyszög, kör és spirális keresztmetszetű nanocsövek előállításának lehetőségére. A nanotechnológia kialakulását azoknak az analitikai módszerek kidolgozása és alkalmazásba vétele segítette, amelyek alkalmasak voltak a nanoméretű részecskék mennyiségi és minőségi jellemzésére. Erre az új iparágra, illetve tudományágra jellemző, hogy anyagfelhasználása csekély, és hatalmas szellemi kapacitást, továbbá nagyon drága műszerparkot igényel. Ez indokolja, hogy századunk és a jövő század iparágának tekintik.

Közelebbről

A nanométer méretű részecskék világa rendkívül változatos. Az, hogy erről a világról nincs még kimerítő ismeretünk, annak tudható be, hogy csak a közelmúltban váltak szélesebb körben hozzáférhetővé azok az analitikai eszközök, amelyekkel ezt a világot vizsgálni lehet. Az eddigi tapasztalatokból az a következtetés vonható le, hogy a nanoméretű anyagok másképpen viselkednek, mint a makroszkopikus világ szereplői.

A szén nanocsöveknek két alapvető csoportja van: egyfalú és többfalú nanocsövek. Előbbi esetben a nanocső egy tökéletes hengerré tekert, egyetlen atom vastagságú grafitréteg, míg az utóbbiak koncentrikusan egymásban elhelyezkedő, egyfalú csövekből épülnek fel, úgy, hogy a hengerek egymástól 0,34 nm távolságban vannak. Az egymásba épülő csövek száma kettőtől több tízig vagy akár százig is változhat. Az egyfalú szén nanocsövek a grafitsík feltekerésének mikéntjétől függően három csoportba sorolhatók: karosszék-, cikkcakk- és királis nanocsövek. A feltekerés mikéntje befolyásolja az egyfalú nanocső elektromos tulajdonságait; minden karosszék konfigurációjú nanocső fémes viselkedésű, a cikkcakk nanocsövek közül azonban csak minden harmadik ilyen, a többiek félvezető tulajdonságokkal rendelkeznek. Fontos megjegyezni, hogy a szén nanocsövek nem azonosak a szénszálakkal. Ezek valóban csövek, azaz belsejükbe különböző anyagok tölthetők be. Jelenleg két módszer látszik alkalmasnak nagy mennyiségű szén nanocső előállítására. Az egyik a plazmatechnológia, amely elektromos ívkisülés révén hoz létre a nanocső képződéséhez megfelelően magas, úgynevezett plazmahőmérsékletet. Itt szénatomok, illetve atomcsoportok képződnek a szén elektródokból, és rakódnak le különböző szénformákként a reaktorban. A másik módszer a szénhidrogének gázfázisú katalitikus bontása.

Szilárdság

A szén nanocsövekről régóta gyanítják, hogy szilárdságuk nagyobb lehet, mint az űrrepülőgépben felhasznált csúcstechnológiával előállított kompozitanyagoké. Nehéz azonban közvetlenül megmérni ezeknek az alig egy nanométeres átmérőjű, tiszta széncsöveknek a mechanikai tulajdonságait, ezért ezek a becslések eddig számítógépes szimulációkon és néhány közvetett mérésen alapultak. Egy amerikai kutatócsoportnak azonban nemrég sikerült az eddigi legközvetlenebb módon meghatároznia a nanocsövek szilárdságát: megmérték, mekkora erő szükséges egy nanocsövekből álló "kötél" elszakításához, közben pedig azt is feljegyezték, hogy a feszítés hatására mekkora a megnyúlás. Az eredmények igazolták, hogy a nanocsövek az ismert anyagok körében a legszilárdabbak közé tartoznak. Maga a mérési eljárás pedig a továbbiakban széleskörűen alkalmazható majd a nanocsövek mechanikai tulajdonságainak meghatározásában.

A nanocsövek azon ritka anyagok közé tartoznak, amelyeknek mind a szilárdsága, mind a ridegsége nagy. Ezek azok a tulajdonságok, amelyeket például a repülőgép-tervezők megkívánnak a repülőgépek és a műholdak szerkezeti anyagaitól, de a jövő nanoméretű gépezeteiben és az ezeket megmunkáló eszközökben szintén nagy szerepet játszhatnak. A nanocsövek mechanikai tulajdonságai más felhasználási területeket is érinthetnek, így például az elektronikát, ahol a nanocsövek összenyomásakor a megváltozó vezetőképesség felhasználható a parányi áramkörökben.

Az űrlifté a jövő

Szénből készült az az elemi szál, amin a lift közlekedni tud. A NASA, a nanocsövek felfedezésének köszönhetően, az 1990-es évek vége óta lát fantáziát az elképzelésben. Korábban nem ismertek olyan anyagot, ami elég erős lett volna az űrlift megépítéséhez. Az űrlift leglényegesebb alkotóeleme a Föld felszínéről a világűrbe nyúló, hosszú kábelrendszer, amelynek tömegközéppontja geostacionárius pályán kering. Ez olyan pálya az Egyenlítő síkjában, amelyen a Föld felszíne felett 36.000 kilométerre keringenek a műholdak. Ez a pálya azért előnyös, mert ezen a keringési idő 24 óra, tehát a műhold együtt forog a Földdel. Az elképzelés szerint a kábelek mentén elektromágneses meghajtású kabinok szállítanák az embereket és az eszközöket a Föld és a világűr között. A kábelek Föld felőli végét egy nagyjából ötven kilométer magas toronyhoz rögzítenék, másik végét pedig egy, a geostacionárius pályán túli nagy tömegű ellensúlyhoz, például egy megfelelő pályára irányított kisbolygóhoz. A kábelek mentén négy-hat kabin közlekedhetne, óránként ezer kilométeres sebességgel. Ehhez ma a legígéretesebb anyagoknak a szén nanocsövekből álló kötegei látszanak: ezek elméleti számítások szerint elérhetik az űrlift kábeleihez megkívánt 62 gigapascalos szakítószilárdságot, s emellett még könnyűek is.

N. A. G.
Forrás: Szegedi Egyetem