Mokslas ir IT

2021.01.12 22:03

Ši anglies forma galėtų tapti vertingesnė net už deimantą: jūros vandenį gali paversti gėlu bei sukurti naujos kartos variklius

Rolandas Maskoliūnas, LRT Televizijos laida „Smalsumo genas“, LRT.lt2021.01.12 22:03

Anglis kaip ir žmonės gali įgauti stebėtinai įvairių formų. Deimantai – kieti ir skaidrūs, o, pavyzdžiui, grafitas – juodas ir minkštas. Ir tai priklauso nuo anglies atomų išsidėstymo. Dar visai neseniai niekam nebūtų kilęs kvailas klausimas, kuri šios medžiagos forma yra vertingesnė. Tačiau atradus anglies atmainą grafeną paaiškėjo, kad jis gali 21 amžiuje sukelti tikrą technologinę revoliuciją. Netrukus sužinosime, kaip išradingai manipuliuojant anglies atomais kuriamos unikalios medžiagos.

„Kadangi mes plonus sluoksnius ir nanodarinius nusodiname iš garų fazės, reiškia, mums reikia, kad pas mus būtų kuo mažiau nepageidaujamų priemaišų. Kuo mažiau pašalinių oro molekulių ir atomų. Todėl pas mus turi būti slėgis kuo mažesnis. Šiuo atveju pas mus slėgis toks kaip tarpplanetinėje erdvėje“, – sako fizikas medžiagotyrininkas dr. Šarūnas Meškinis.

Tačiau, siekiant užauginti reikiamos struktūros ir sudėties medžiagų, reikia ne tik vakuumo, bet ir jonizuotų dujų, t. y. plazmos. Mokslininkai naudoja šią sudėtingą aparatūrą, modifikuodami iš anglies atomų sudarytas medžiagas. Beje, anglis – labai įdomus cheminis elementas. Vienas labiausiai paplitusių Visatoje.

„Anglis yra ne tik organiniai junginiai, ne tik gyvybė. Tai ir labai įdomios, skirtingos neorganinės medžiagos. Pavyzdžiui, deimantas ir grafitas. Atrodytų, visiškai priešingos medžiagos. Vienas labai kietas, kitas labai trapus. Vienas juodas ir neskaidrus, kitas skaidrus. Vienas yra brangiausias iš brangakmenių, kitas santykinai labai pigus. Paprastas pieštukas. Abiem atvejais tarp šių medžiagų yra vienas bendras dalykas – jas sudaro anglies atomai. Tik grafite ir deimante tie anglies atomai yra skirtingai išsidėstę vienas kito atžvilgiu, jie susijungę skirtingais ryšiais ir todėl jų savybės skiriasi labai smarkiai“, – teigia Š. Meškinis.

Smalsumo genas. Anglies atmainų pritaikomumas: neišmatuojamos grafeno galimybės

Tačiau tai toli gražu dar ne visos neorganinių anglies medžiagų formos. Trečiasis anglies atomų išsidėstymo variantas vadinamas londsdaleitu, jis atrastas dar 1967 metais. Jis dar kietesnis už deimantą, tik jo pasaulyje itin mažai. Ketvirtąja anglies forma pripažįstamos supermolekulės (nanosferos), sudarytos iš 60 anglies atomų, vadinamos fulerenais. Dar viena anglies atmaina – kelių ar keliasdešimties nm skersmens grafeno giminaičiai – anglies nanovamzdeliai, juose anglies atomai išsidėstę taip pat, kaip grafite ir grafene.

Grafitą suverpus į pluoštus, gaunama tvirta ir lengva medžiaga – anglies pluoštas. Įkvėpti tokių pavyzdžių, mokslininkai jau senokai mėgina dar labiau praplėsti anglinių medžiagų asortimentą.

„Mes galime užauginti ir amorfinę anglį, amorfinės anglies sluoksnius. Ir tų anglies sluoksnių savybių valdymo ribos gali būti labai plačios. Nuo savybių, artimų grafitui, iki savybių, artimų deimantui. Ir šitos anglies medžiagos, didelė jų grupė yra vadinama prašmatniu deimanto tipo anglies pavadinimu“, – aiškina fizikas.

Kai 1971 metais tokios dangos buvo užaugintos, pastebėta, kad jų savybės artimos deimantui. Jos beveik tokios pat kietos, turi labai mažą trinties koeficientą, gali būti skaidrios. Jų elektrines charakteristikas galima keisti ir jos netgi yra biosuderinamos – vadinasi, tokias dangas galima naudoti implantams. Tokia savybių puokštė gali būti pritaikoma labai įvairiose srityse ir technologijose.

„Deimantų tipo anglimi padengti skutimosi peiliukų ašmenys. Toliau, jeigu pažiūrėtume pro langą, matytume automobilius, daugelio jų varikliuose naudojamos detalės, padengtos deimantų tipo anglimi. Toliau visiškai priešingas taikymas. Prieš 10–15 metų buvo labai reklamuojama deimantų tipo anglis kaip difuzinis barjeras – plastikinio alaus butelio vidinis paviršius buvo padengtas deimantų tipo anglimi ir tokiu būdu buvo gerokai sumažinta deguonies atomų difuzija“, – aiškino Š. Meškinis.

Kitaip tariant, buvo galima daug ilgiau išsaugoti burbuliukus.

„Dar vienas taikymas, gal šiek tiek nueinantis nuo arenos. Tai yra personalinių kompiuterių magnetiniai kietieji diskai. Jų paviršius padengtas kelių nanometrų storio deimantų tipo anglies sluoksniu. Kadangi deimantų tipo anglis yra itin lygi, mes galime uždėti labai lygų ploną sluoksnį, jo paviršiumi galėtų važinėti nuskaitanti magnetinė galvutė. Be to, jis apsaugo giliau esančius to magnetinio disko sluoksnius nuo korozijos. Keisdami deimantų tipo anglies cheminę sudėtį, jų struktūrą, įtraukdami papildomų cheminių elementų ir augindami skirtingo storio deimantų tipo anglį, mes galime gauti ir dekoratyvinių dangų. Pačių įvairiausių spalvų – žalios, mėlynos, auksinės.

Jeigu mes padengiame ortopedinį implantą deimantų tipo anglimi, tai, iš vienos pusės, mes turime tą implantą, kuris bus atsparesnis dilimui. Iš kitos pusės – bus mažesnė įvairių jo atmetimo, uždegimo reakcijų tikimybė. Kadangi deimantų tipo anglis gali būti kišama į gyvus organizmus“, – pasakoja mokslininkas.

Chemikai neorganikai implantus dengia fosfatais. Bet jie ne tokie atsparūs dilimui. Be to, deimanto tipo dangas papildžius sidabro, vario ar aukso nanodalelėmis, tokios medžiagos ims naikinti mikrobus. KTU tyrėjai užaugino struktūrą, kurios pjezovaržinis efektas pranoksta silicio atitinkamas savybes net 30 kartų.

„Neseniai baigėme vieną projektą kartu su „Ekspla“. Tai yra būtent netiesinių deimanto tipo anglies savybių tyrimas. Yra tokia medžiaga kaip savaime įsisotinantys sugėrikliai. Jų skaidrumas esant tam tikram šviesos intensyvumui išauga smarkiai. Kitaip tariant, jos praskaidrėja didėjant šviesos intensyvumui. Šitos medžiagos naudojamos įvairiems skaiduliniams lazeriams pripumpuoti“, – aiškina Š. Meškinis.

Rašytojas Nealas Stephensonas 1995 metų romane sukūrė stulbinamą ateities viziją, pagrįstą nanotechnologijomis. Romaną jis pavadino „Deimantų amžiumi“. Jis atspėjo, kad įvairios anglies atmainos savo taikymo galimybėmis turėtų pranokti net silicį. Tačiau atrodo, jog teisingiau būtų buvę pavadinti šį kūrinį „Grafeno amžiumi“. Juolab kad 2010 metų Nobelio premija atiteko dviem mokslininkams, pademonstravusiems fantastiškas šios medžiagos savybes.

Grafenas yra ploniausia, tvirčiausia ir kiečiausia medžiaga pasaulyje. Be to, ji puikiai tinka elektronikoje. Manoma, kad ji gali tapti tarsi elektronine jėgaine, kuri pakeis silicio lustus. O, susukus šią dvimatę medžiagą į nanovamzdelius, galbūt bus galima pagaminti lyną kosminiam liftui.

„Grafenas yra grafito monosluoksnis. Arba iki dešimties sluoksnių grafito, jeigu žiūrėtume pagal savybes. Grafeno savybės labai smarkiai skiriasi nuo grafito. Viena iš įdomiausių jo savybių tai, kad jis pasižymi didžiausiu krūvininkų judrumu. Krūvininkai jame sugeba judėti greičiau negu bet kurioje kitoje mums žinomoje medžiagoje“, – tikina fizikas.

Tiek deimantas, tiek grafitas yra kristalinės medžiagos. Juose atomai išsidėstę tvarkingai. Deimante jie suformuoja anglies kubus, o grafite – šešiakampius anglies sluoksnius.

„Grafitas yra trapi medžiaga, kadangi ryšiai tarp atskirų grafito plokštumų, atskirų grafeno sluoksnių yra labai silpni. Tačiau vienas grafeno sluoksnis yra labai stipri medžiaga. Jį labai sunku nutraukti. Šiuo požiūriu tai viena iš tvirčiausių medžiagų. Jeigu mes nedidelį grafeno kiekį įdėsime į, pavyzdžiui, polimerą, plastiką kokį nors, mes gausime daug tvirtesnę medžiagą“, – teigia Š. Meškinis.

Kadangi grafenas yra monosluoksnis, bet kokie jo paviršiuje įsiterpę atomai keičia jo savybes. Todėl būtina išvengti priemaišų.

„Dažniausiai dabar naudojami jo sintezės būdai yra eksfoliacija, kai grafitas ultragarsu skaidomas į grafeno plokštumas. O kitas variantas – cheminis nusodinimas iš garų fazės. Tada aukštoje temperatūroje iš angliavandenilių, dažniausiai metano ir vandenilio mišinio, grafenas nusodinamas ant katalizinių vario arba nikelio folijų – plėvelių. O nuo jų perkeliamas ant to pagrindo, kur mums reikia“, – dėsto fizikas.

Mokslininkai sintezuoja grafeną ant dielektrikų ir puslaidininkių paviršių maždaug 700–900 laipsnių temperatūroje. Naudojamas mikrobange plazma aktyvuoto cheminio nusodinimo iš garų fazės įrenginys. Cheminis nusodinimas aktyvuojamas aukšta temperatūra, o dujos papildomai jonizuojamos mikrobangomis.

„Grafeną naudoja kaip priedą gamindami įvairias baterijas. Mobiliųjų telefonų, panašių nešiojamų prietaisų. Kadangi daugelio elektrodų atveju reikia padidinti tų baterijų laidumą. Pridėję 1–2 proc. grafeno, mes galime smarkiai padidinti laidumą tų elektrodų ir galime pasiekti, kad mūsų baterijos galėtų saugoti daugiau krūvio“, – sako Š. Meškinis.

Prasidėjus koronaviruso pandemijai, fizikai irgi nusprendė prisidėti prie kitų mokslininkų pastangų suvaldyti viruso plitimą. Jie pasiūlė operatyvų diagnostikos būdą naudojant grafeną.

„Yra keletas firmų Korėjoje, JAV, kurios gamina iš grafeno to karūninio viruso jutiklius. Kitaip tariant, dabar tam reikalingos sudėtingos cheminės reakcijos ir ilgalaikiai matavimai“, – tikina mokslininkas.

Naudojant grafeno pagrindu sukurtą jutiklį, vietoj sudėtingos cheminės analizės laboratorijos, kurios rezultatų reikia laukti, užtektų turėti nedidelį prietaisą, tiesiogiai fiksuojantį virusą. Tai būtų puslaidininkis prietaisas.

„Kadangi grafenas yra monosluoksnis arba keli atomų sluoksniai, reiškia, jo varža labai greitai pasikeis, prikibus net labai nedideliam kiekiui molekulių. Jeigu turite tūrinę medžiagą, tūrinį jutiklį, tai, be abejo, paviršiaus varžos pokyčiai turės nedidelę įtaką jo varžai. O čia kadangi jis yra labai plonas, faktiškai jo visa varža ir yra paviršinė varža. Tai reiškia, kad jis iš karto labai greitai reaguos į tuos pokyčius“, – aiškina fizikas.

Grafeno taikymo sritys ateityje priklausys tik nuo mūsų fantazijos. Jis turėtų padidinti Saulės elementų efektyvumą, padėti sukurti variklius, naudojančius vandenilį tiesiai iš oro. Grafenas sudaro fizinį ir cheminį barjerą, atbaidantį maliariją platinančius uodus; grafeno filtrai jūros vandenį efektyviai paverčia gėlu vandeniu.

Naudodami iš grafeno sukurtus lęšius, pasaulį matysime ir infraraudonuoju bei ultravioletiniu diapazonu. Ir netgi sukursime bioninį žmogų. Mat elektroninius komponentus iš grafeno galima integruoti su mūsų biologinėmis sistemomis. Tokie implantai tiesiogiai bendraus su ląstelėmis ir nuskaitys neuronų siunčiamą informaciją. Atrodo, iš tiesų aušta grafeno amžius.

Mums svarbus tikslumas ir sklandi tekstų kalba. Jei pastebėjote klaidų, praneškite portalas@lrt.lt