Fullereny míří k průmyslové výrobě

Zvláštní uhlíkové molekuly zvané fullereny mohou sloužit jako materiál pro výrobu nanovláken. Aplikace těchto láte...


Zvláštní uhlíkové molekuly zvané fullereny mohou sloužit jako materiál pro
výrobu nanovláken. Aplikace těchto látek v informatice by mohly zahrnovat i
chlazení příští generace procesorů, molekulární elektroniku nebo nekovové
magnety.

Fullereny jsme si na stránkách CW představili poprvé již v roce 2001.
Následující článek bude zaměřen především na novinky, ke kterým v tomto oboru
došlo v poslední době. Na téma novinek v oblasti fullerenového výzkumu hovoříme
s profesorem Zdeňkem Slaninou, jenž se fullereny a příbuznými sloučeninami
začal zabývat již v 70. letech minulého století.

Jakým způsobem se dnes fullereny používají v molekulární elektronice?
V současné době existuje několik koncepcí a teprve další vývoj ukáže, která z
nich se stane opravdu nosnou. Jako první se objevila idea využití
metallofullerenů, tedy fullerenů, které mají uvnitř molekuly atom či atomy
kovu. Takových sloučenin již existuje značné množství. Důležité je, že řada z
nich má atom kovu umístěn mimo střed molekuly, přičemž existuje možnost jeho
překlopení do ekvivalentní, "symetrické" polohy. Pokud je přitom
metallofulleren fixován na nějaké podložce, jsou obě polohy rozlišitelné a
mohou sloužit pro zápis logické nuly a jedničky.
S větší intenzitou se však dnes pracuje na výzkumu použití fullerenů v roli
nanotrubiček. Některé z nich totiž vykazují stejné závislosti elektrického
proudu na napětí, jako je tomu v případě tranzistorů proto se někdy hovoří
přímo o molekulárních tranzistorech. V současnosti se zdá, že právě tento směr
výzkumu má nejblíže k praktickému využití.
Několik vědeckých týmů pracuje i na fullerenech, které mají uvnitř molekuly
atom dusíku, a snaží se pro molekulární elektroniku využít vlastností těchto
systémů vložených do trvalého magnetického pole.

Představují fullereny hlavní směr výzkumu v oblasti molekulárních pamětí, nebo
se dnes těžiště soustřeďuje spíše na jiné látky?
Jako molekulová paměť může v principu sloužit každý systém, který vykazuje dvě
formy (isomery), z nichž jedna slouží jako logická jednička a druhá jako nula.
Podstatné je, aby tyto dvě formy působením určitého vnějšího podnětu relativně
snadno přecházely jedna na druhou, ale současně pak v jednou zaujaté poloze
byly dostatečně stabilní tj. neměnily svoji hodnotu samovolně.
Dnes je studován velký počet anorganických komplexů, organokovových sloučenin
či systémů s vodíkovými vazbami, které všechny vykazují takovéto rysy.
Jako další využití fullerenů v informatice bývá uváděno chlazení nové generace
procesorů...
Pro zlepšení odvodu tepla se uvažuje například o možnosti začít v
mikroelektronice používat diamantových filmů a to především vzhledem k dobré
tepelné vodivosti diamantů. Touto vlastností se vyznačují i uhlíkaté
nanotrubičky. Při aplikacích v molekulární elektronice může být produkce tepla
snížena i tak, že zápis a čtení nebudou realizovány elektrickým proudem, ale
půjde o záznam některých spekter ať už ve viditelném světle či při jiných
vlnových délkách. Každá molekula poskytuje celou řadu měřitelných spekter,
která umožňují její identifikaci. Budeme-li logickou nulu a jedničku realizovat
dvěma různými molekulárními formami, budeme pracovat se dvěma různými spektry a
jejich čtení bude právě odpovídat čtení nuly či jedničky.

Jaké z fullerenů vykazují magnetické vlastnosti? K čemu jde organické magnety
využít?
Magnetické vlastnosti nebyly pozorovány u čistých fullerenů, ale u jejich
derivátů. O nekovových magnetech můžeme ovšem hovořit tak jako tak jedná se
totiž o organické deriváty fullerenů a v těchto sloučeninách není obsažen
jediný atom kovu.
K výhodám organických magnetických materiálů by patřila zřejmě především nižší
hustota (tedy nižší hmotnost), jejich studium je však stále ještě ve fázi
základního výzkumu. Poměrně nadějným signálem je snad fakt, že v nedávné době
se podařilo připravit také polymerní materiály na bázi 60atomové uhlíkové
molekuly, které by měly být magnetické i za pokojové teploty.

Jakým směrem se ubírá výzkum supravodivosti fullerenů. Jakých nejvyšších teplot
se podařilo dosáhnout?
Nejvyšší dosažená teplota, při které byla u fullerenů ještě zaznamenána
supravodivost, je dnes 40 K (navíc je přitom zapotřebí zvýšeného tlaku). Oním
rekordmanem je směsný krystal, kde jsou atomy césia umístěny mezi 60atomové
molekuly uhlíku (Cs3C60). Zatím ale není jasné, jak z takového materiálu
připravit prakticky použitelné vodiče.

Fullereny se dnes připravují pouze laboratorně, nebo se již podařilo přejít do
fáze průmyslové výroby?
Zatím první skutečnou výrobu v průmyslovém měřítku zavedla japonská společnost
Mitsubishi ve své dceřiné firmě Frontier Carbon Corporation s provozem na
jižním japonském ostrově Kjúšú. Fullereny se zde produkují řízeným spalováním
organických látek. Roční objem výroby se již pohybuje v tunových množstvích,
navíc s možností dalšího podstatného zvýšení. Výroba v průmyslovém měřítku již
přinesla podstatné snížení ceny fullerenových materiálů. Firma Mitsubishi nyní
spolupracuje i na výrobě v USA, a to včetně nanotrubiček.

Jaký je váš názor na současné nanotechnologie? Pokud se tento výraz používá v
souvislosti s různými textiliemi a nátěry, jde opravdu o předzvěst toho, co
kdysi předvídali vizionáři celého oboru? Nebo se dodavatelé pouze chytají
termínu, který začal být módní?
Termín nanotechnologie je dnes bohužel opravdu nadužíván. V původním smyslu
slova označovaly nanotechnologie velmi cílené přípravy systémů na molekulární
úrovni, které by
vykazovaly specifické funkční vlastnosti. Tyto systémy se navíc měly být
schopné uspořádat samoorganizací "silami přírody". Příroda sama od nepaměti s
různými nanotechnologiemi úspěšně pracuje třeba živou hmotu organizuje molekulu
po molekule, a činí tak očividně velmi efektivně.
Sklo, které se díky fotochemickým reakcím dokáže samo vyčistit, speciálně
upravená dlaždice nebo tkanina jsou jistě zajímavými technologiemi, ale
předponu "nano" v jejím původním slova smyslu si podle mého názoru prostě
nezasluhují.



Co jsou to fullereny
Fullereny jsou nejčastěji charakterizovány jako třetí modifikace uhlíku (po
grafitu a diamantu). Jedná se o molekuly uhlíku řádově o desítkách atomů, které
jsou uspořádány do vrcholů více či méně pravidelných mnohostěnů. Nejznámější je
zřejmě molekula obsahující 60 atomů, která se označuje jako kopací míč
(respektive buckminsterfulleren či buckyball). Známe ale i řadu dalších molekul
a také deriváty fullerenů, jejichž molekuly obsahují kromě uhlíku i další
atomy. Fullereny se mohou uplatnit například v molekulární elektronice, jako
nekovové magnety, supravodiče, základ pro nanotrubičky (uvažuje se, že by z
nich mohl být vybudován třeba i výtah na oběžnou dráhu), ale také v
medicínských aplikacích. Velmi blízko praktickému používání v lékařství jsou
tzv. fullerenové klece (uhlíková "koule" v tomto případě funguje jako ochranný
obal, který umožňuje vpravit do těla jinak toxický těžký kov nebo radioaktivní
prvek).
Slabinou fullerenů je prozatím příprava látky o předem definovaném složení.
Tento aspekt je zvlášť zdůrazněn u fullerenových nanotrubiček. Při jejich
přípravě vzniká pestrá směs forem, které jsou od sebe těžko oddělitelné. Výhodu
zde oproti fullerenům mají jiné nově zkoumané uhlíkaté sloučeniny, například
heliceny (sloučeniny, jejichž základem jsou spojené struktury molekul benzenu
uspořádané do podoby točitých spirál).









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.