Feltekeredő nanorétegek

Nanoorigami - érdemes lesz megtanulni ezt a nemrég alkotott szót. A szellemes elnevezés azokat a különböző alakzatokat, testeket jelöli, amelyeket laboratóriumokban hoznak létre feltekeredő nanorétegekből. Az 1995-ben felfedezett lehetőség mostanában került közel az érdemi gyakorlati alkalmazásokhoz.

A nanorétegek feltekerődését véletlenül fedezték fel az Orosz Tudományos Akadémia novoszibirszki Félvezető-fizikai Intézetében. Viktor Prinz fizikus és munkatársai az elektronok mozgását tanulmányozták egy vékony félvezető kettős rétegben, amely a legnagyobb meglepetésükre egyszer csak csőformára tekeredett fel. Azóta ők és mások is alaposan tanulmányozták a váratlan jelenséget.

Feltekeredés akkor következik be, ha a két egymáson fekvő vékony réteg nem azonos atomokból áll, például amikor egy szilícium- és germániumatomok keverékéből álló rétegre egy tiszta szilíciumréteget visznek fel. A kettős rendszert egy oldható alaplapra építik fel. A germániumatomok nagyobbak a szilíciumatomoknál, ezért a vegyes rétegben összeszorulnak az atomok, míg a csak szilíciumot tartalmazó rétegben kénytelenek széthúzódni. Ha az elkészült háromrétegű szendvics alaplapját megfelelő oldószerrel leoldják, akkor a szilíciumatomok egymás felé mozdulnak, a másik rétegben a germániumatomok viszont eltávolodnak, vagyis a felső réteg összehúzódik, az alsó pedig kitágul. Ennek eredményeként az addig sima lap szőnyegként feltekeredik.

A feltekeredés lehetőségét a sikeres kísérletek előtt elvetették, mert attól tartottak, hogy a mindössze néhány atom vastag rétegek hamar oxidálódnak, továbbá az alaplapot nem lehet a filmréteg sérülése nélkül eltávolítani. Az aggodalmak feleslegesek voltak, a novoszibirszki kutatók néhány mikrométertől néhány nanométerig terjedő méretekben hoztak létre tekercset, karikát és csigavonalban (csavarvonalban) feltekeredett alakzatot. A csigavonalban tekeredő alakzat létrehozásánál azt használják ki, hogy a feltekeredés iránya az atomsorok kialakításával szabályozható.

Az elsőként megvizsgált anyagok félvezetők voltak, ezért a nanoorigamival létrehozott testek mikrochipekben való felhasználásán gondolkoznak. Kis csöveket, tekercseket és más eszközöket lehetne közvetlenül a chipbe építeni, vagy magát a mikroáramkört feltekerni. Egyelőre azonban még távoli terv. A kutatók a parányi testek elektromos, optikai és mechanikai tulajdonságait, viselkedését tanulmányozzák. A szén nanocsövekről nemrég mutatták ki, hogy szupergyorsan áramlanak bennük a folyadékok, a csövek optikai kábelként a fény vezetésére is alkalmasak. (Meglepő folyadékáramlás nanocsövekben) Hasonló tulajdonság remélhető a nem-szénalapú nanocsövektől és a feltekeredett félvezetőktől is.

Idővel sikerült egyszerűsíteni a nanoorigami technológiáját. Kiderült, hogy nemcsak kétrétegű, hanem egyrétegű anyagnál is bekövetkezhet a felcsavarodás. A vastagabbra növesztett filmrétegben az alul lévő atomok összeszorulnak, a felső rétegekben a megjelenő rácshibák viszont lehetővé teszik az atomok eltávolodását. Az idén tavasszal bejelentett eredmény reménykeltő, hiszen így tiszta szilícium-alapú eszközöket is lehet majd készíteni. A csövek fénykibocsátásra képesek, és talán mikrochipre szerelt parányi lézer is készíthető belőlük.

A jelenség felfedezése, megértése után anyagok sorát próbálták ki, képesek-e a belőlük előállított nanoméretű lapkák feltekeredni. A félvezetők után fémekből és szigetelőkből is készítettek nanotesteket. Német kutatók pedig műanyagot tekertek fel: a kétrétegű minta alsó rétege magába szívja az oldószert és megduzzad, a felső réteg viszont nem, így a két réteg eltérő viselkedése elindítja a feltekeredést. Polimerek millióit lehet kipróbálni, ezeket könnyű lesz majd biológiai rendszerekhez kapcsolni, hiszen a bioanyagok maguk is polimerek. Polimer nanocsőből épített tintasugaras nyomtatón is gondolkodnak.

A tekercseket, karikákat, a csigavonalban tekeredő alakzatokat nagyobb lemezekhez lehet kapcsolni vagy eszközöket lehet belőlük építeni. Félvezető filmből készítettek már felcsapódó tükröket és más eszközöket, mozgó részek és bonyolult illesztések nélkül. Az MIT-n harmonikaszerű alakzat létrehozásán fáradoznak, ezzel a fényt szeretnék új módon manipulálni. Német kutatók félvezető csőből rezonátort készítettek, ami a kvantum-információtechnológiában kaphat szerepet. Svájci kutatók fúrószerű alakra csavart csigavonalú test kivételes hajlékonyságára építve nagyon érzékeny szenzor, erőhatás mérésére alkalmas eszköz építésén dolgoznak.

Távolabbi terv a kémiai szenzorok létrehozása. Amerikai kutatók szándéka szerint a germánium-szilícium csövecskék letekerednének, kisimulnának, ha az érzékelendő molekulával találkoznak. A csöveket beépítenék az elektronikába, így az azonnal jelezné az alakváltozásukat, vagyis megjelenne a kimutatni szándékozott kémiai anyag. A kutatók annyit már elértek, hogy a csövek környezetének sósságát változtatva fel- vagy letekeredésre tudják késztetni a parányi csöveket.

A különböző anyagokból feltekert csövek nem fogják kiszorítani a szén nanocsöveket. A szén nanocsövek olyan elektromos és mechanikai tulajdonságokkal bírnak, amelyekkel a náluk nagyobb egyéb csövek valószínűleg nem lesznek versenyképesek. A nanoorigami előnye az alapanyagok és a létrehozható alakzatok nagyobb változatossága. Rövidesen már a tényleges gyakorlati alkalmazásukra számíthatunk. Az első eszköz bizonyára egyszerű lesz, például egy áramkör parányi indukciós tekercse.

Jéki László