sobota 26. ledna 2013

Uhlík budiž pochválen


Kdyby v dnešní době vznikla pohádka Sůl nad zlato, jmenovala by se spíš Uhlík nad zlato. Ona literární princezna byla uvážlivá a musela by uznat, že ještě větší význam než sůl má právě uhlík. Samozřejmě, že by se marnivému králi ani uhlík nelíbil - vždyť to je snad nejběžnější prvek, je ho všude ve vesmíru i v živých tělech… a ve formě nanotrubiček i tam, kde se to dříve zdálo nemožné. Mohou sloužit jako chemické senzory, elektronický obvod, vysokorychlostní procesory…

Začal to Buckyball
Zasvěcení jí říkají buckyball, více je známá jako fulleren - neboli molekula C60, která je nejkulatější, tím pádem nejstabilnější a vzhledem ke své stabilitě i nejhojnější ze všech existujících fullerenových molekul počínaje C20 . Tvoří se v uhlíkové plazmě při teplotách kolem 3000 K.

V den, kdy u nás děti jdou po prázdninách do školy tři vědci na Rice University prováděli experiment - laserové odpařování grafitu, jehož výsledkem byly saze a v nich byla objevena molekula uhlíku C60. Bylo to v roce1985 a na počest architekta R. Buckminstera Fullera, jehož konstrukce tvaru komolého ikosaedru se této molekule podobají, dostala jeho jméno. Ti objevitelé jsou Robert F. Curl (USA), Richard E. Smalley (USA) a Harold W. Kroto (Anglie), a v roce 1996 dostali za fullereny Nobelovu cenu za Chemii. Fullereny jsou teplotně stálé, mají stejné vlastnosti jako polovodiče a při nízkých teplotách jsou supravodivé a úplně z oblasti sci-fi je jejich schopnost měnit světlo v elektrický proud. Tuto neobyčejnou vlastnost chce využít firma Siemens - její výzkumníci pracují na vývoji fotodetektorů pro medicínskou techniku.
Samotná výroba fullerenů není nijak tajemná - laboratorně například vznikají při vypařování grafitu v elektrickém oblouku mezi dvěma grafitovými elektrodami v atmosféře inertního plynu (hélium), který musí mít ovšem dostatečný tlak - optimální je 10 MPa. Řízeným spalováním organických látek vyrábí fullereny průmyslově japonská Frontier Carbon Corporation (dceřina firma Mitsubishi).
Dalším "uhlíkovým nanozázrakem" je uhlíkové nanovlákno. Poprvé se podařilo vyrobit v roce 2003 elektrickým obloukem mezi dvěma uhlíkovými elektrodami ve vodíkové atmosféře na japonské universitě v Nagoy týmu profesora Yosinoriho Ando. Bylo z atomů uhlíku protažené uhlíkovou nanotrubičkou. V lednu 2005 vědci z laboratoře v Los Alamos vytvořili jednovrstvé uhlíkové nanovlákno dlouhé 40 milimetrů.
U uhlíkových nanovláken jistě očekáváte také řadu zajímavých vlastností, nebudete zklamaní. Možná víte, že sloučeniny uhlíku se klasifikují podle typu chemické vazby - známé jsou hybridní vazby "sp3" - diamant, "sp2" -grafit, fullereny, nanotrubičky a "sp" - uhlíkové řetězce. Specialitou nanovláken je, že obsahují dva typy chemické vazby - a to "sp" a "sp2".
A využití? V kosmických lodích v podobě ultrasilných vláken jako ložiska bez tření nebo v elektronice mohou být vysoce koherentním bodovým zdrojem elektronových paprsků.
A nakonec se podívejme na uhlíkové nanotrubičky, jsou právě v teenagerském věku, před šestnácti lety je vědci vytvořili v obloukovém výboji mezi uhlíkovými elektrodami. Jsou z čistého uhlíku s průměrem mezi jedním a. třiceti nanometry a dosahují délky až jeden milimetr. Mohou být duté nebo složené z několika vrstev. Podle své struktury se chovají jako polovodiče nebo mají vlastnosti kovů a vedou elektrický proud tisíckrát lépe než měď a s příměsemi kovů vykazují supravodivost. Dále, jsou lepší vodič tepla než diamant, který je dosud nejlepším jeho vodičem (i čisté stříbro je horší), mají dvacetkrát větší pevnost v tahu než ocel, jsou ohebné a lehké. Pokud je překřížíte a vložíte do magnetického pole začnou se vzájemně kolem sebe ovíjet a lepit se, po vyslání napěťového impulsu se oddělí. K manipulaci s nimi slouží například speciální Atomic Force Microscope.