Svět podle fullerenů - Tranzistory, supravodiče, magnety a nanotechnologie

V Computerworldu jsme popsali historii objevu pozoruhodných uhlíkových makromolekul, tzv. fullerenů. Nyní se podíváme...


V Computerworldu jsme popsali historii objevu pozoruhodných uhlíkových
makromolekul, tzv. fullerenů. Nyní se podíváme na zajímavé objevy, k nimž na
poli fullerenů došlo v poslední době. Řada z nich je přitom minimálně
teoreticky využitelná i v počítačovém průmyslu.
K velkému překvapení na poli výzkumu fullerenů došlo, když americký fyzik
Arthur Hebard demonstroval, že molekuly buckymíče ve spojení s malým
množstvím alkalického kovu (draslíku nebo rubidia) jsou supravodivé.
Supravodivost objevil již v roce 1911 holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes,
jenž ji definoval jako neexistenci elektrického odporu v určitých látkách při
teplotě blízké absolutní nule. V souvislosti s fullereny je třeba dodat, že
díky nim byla oblast supravodivosti posunuta k hodnotám relativně vysoko nad
absolutní nulu, dokonce k takovým teplotám, při nichž již vystačíme s
chlazením kapalným dusíkem. To je pro další experimenty, velmi nadějné, a to
jak pro specializovanou oblast fyziky částic, jíž se problematika
supravodivosti dotýká, tak obzvláště pro praktické využití tohoto jevu při
konstrukci superrychlých počítačů.
Zpět k samotným fullerenům. O rok později, tedy v roce 1991, byl buckymíč
vyhlášen nejkrásnější molekulou roku. Na jeho bázi se podařilo připravit
polymerové řetězce, byly z něj vyrobeny diamanty při nižší teplotě a tlaku,
než je třeba při výrobě diamantů z tuhy. (V nedávné době byl dokonce
připraven derivát fullerenu, který je tak pevný, že zanechává rýhy i na
samotném diamantu, jde tedy o nejtvrdší materiál, jaký člověk dosud poznal.)

Pevnější než ocel
Svými pozoruhodnými vlastnostmi buckymíče neustále přitahují pozornost. Kromě
supravodivosti je dalším, neméně zajímavým příslibem fullerenů jejich využití
v oboru nových materiálů a kompozit. Ukázalo se totiž, že výhodná strukturální
konfigurace dovoluje provádět řadu kouzel. Velký vnitřní prostor molekuly
fullerenu umožňuje do jeho dutých struktur umístit atomy některých kovů, které
nemusejí tvořit s fullerenem chemickou vazbu, ale přesto příznivě ovlivňují
jeho vlastnosti. Tak byly v laboratorních podmínkách připraveny fullerity,
materiály nesmírně výhodných vlastností, například kompozita stokrát pevnější
než ocel, ale zároveň s nepatrnou hmotností.
Pokud jde o chemický výzkum buckymíčů, probíhá zejména na poli takzvané
funkcionalizace fullerenu. Jedná se v zásadě o vytváření derivátů
připojováním nejrůznějších chemických skupin na molekulu fullerenu. Dařily se
již i modifikace molekul fullerenů tím, že byly nahrazeny některé atomy uhlíku
jinými atomy (např. bóru či dusíku) přímo v jejich kostře. Stejně jako v
oblasti nových materiálů i zde vznikl celý nový obor, fullerenová chemie,
přinášející nejeden příslib jak pro výrobu výhodných chemických sloučenin
(např. rozpouštědel, katalyzátorů, odolných nátěrů atd.), tak zvláště pro
farmaceutický průmysl.

Nejen farmacie
Využití fullerenů ve farmacii a medicíně je samostatnou, velmi slibnou
oblastí výzkumu. Fullereny se svými unikátními vlastnostmi slibují
mnohonásobné využití, od nosičů dopravující léky na předem určené místo v
organismu dovnitř duté molekuly je možno "uzavřít" jinou molekulu po novou
generaci speciálně připravených léků, využívajících jejich příznivých
struktur. Molekuly buckymíče mají vedle toho i velmi výhodnou velikost pro
interakce s DNA, enzymy či dalšími proteiny. Čisté fullereny jsou
diamagnetické, ale vědci zjistili, že fullereny s přídavkem určitých
organických látek vykazují při nízkých teplotách paramagnetické vlastnosti.
Organické magnety, které neobsahují žádné atomy kovu, přinášejí možnost
rozšířit magnetické vlastnosti na plastické hmoty, což by rovněž vedlo k
širokému praktickému využití. Pokud je do molekuly fullerenu válcovitého tvaru
vložen atom kovu, výsledný materiál vede jednosměrně elektrický proud, což již
bylo prakticky využito při konstrukci nesmírně malých polovodičů a tranzistorů.
Uvádí se, že denně v těchto oborech vychází alespoň jedna studie, ale celkově
počet vědeckých prací na téma fullereny již před časem dosáhl počtu 10 tisíc.
Jedním z nejatraktivnějších oborů je i takzvaná molekulová nanotechnologie,
využívající opět neobvykle výhodných vlastností fullerenů k přípravě prvních
nanomechanismů. Konstrukčním materiálem pro ně se staly nanotrubičky, dlouhé a
úzké uhlíkové trubičky, stotisíckrát tenčí než lidský vlas, které jsou tvořeny
velkým množstvím fullerenových pětia šestiúhelníků. Jejich výzkum zahájil již
zmíněný Richard Smalley a Japonec Sumio Iljima ze společnosti NEC. Připravují
se podobně jako samotný buckymíč, ale proces se obohacuje přídavkem kovů, jako
je nikl nebo kobalt, které umožňují růst válcovité struktury dostatečně
dlouhou dobu. Nanotrubičky vykazují neobyčejnou pevnost a pružnost, přičemž
mají schopnost vést elektrických proud a za jistých okolností se mohou chovat
jako polovodiče. Mohou být duté, plné nebo také několikavrstvé, sestavené z
trubiček v trubičkách, stejně jaké ruské bábušky. Právě tyto nanotrubičky se
staly v letošním roce základem jak pro konstrukci prvním nanotranzistorů, tak
pro přípravu prvního jednomolekulového čipu (laboratoře IBM). Naděje, že se
tyto elementy stanou základními součástmi nesmírně výkonných molekulových a
kvantových počítačů, je tedy oprávněná. Výzkum fullerenů proto pokračuje se
vzrůstající intenzitou a již bez nadsázky se hovoří o tom, že první století
třetího tisíciletí se stane érou fullerenů a jejich derivátů. Zda se tato
prognóza vyplní, poznáme možná již v blízké budoucnosti.

text ON-LINE
Kompletní podobu tohoto textu najdete na portálu Science World s datem 7. 12.
2001. Součástí článku bude i menší obrazová galerie.
1 1984 / pah









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