Zaostřeno na fullereny

Nejblíže v praktickému využití mají molekulární tranzistory Přibližně před rokem se ve vědecké rubrice Computerwo...


Nejblíže v praktickému využití mají molekulární tranzistory
Přibližně před rokem se ve vědecké rubrice Computerworldu objevil první článek
popisující fullereny uhlíkaté molekuly, které se mohou uplatnit jako nekovové
magnety, supravodiče či komponenty pro molekulární elektroniku. Kam se
technologie související s fullereny posunuly za poslední rok? Přinášíme
rozhovor s profesorem Zdeňkem Slaninou, který se fullereny začal zabývat již v
70. letech.

S jakými fullereny se dnes nejčastěji experimentuje? Nejznámější je jistě ona
"míčová" molekula, ale asi není jediná...
Systematicky byly prozkoumány fullereny až do molekuly obsahující 96 atomů
uhlíku. Organická chemie se nejvíce rozvíjí kolem molekul se 60 a 70 atomy. Pro
metalofullereny, tedy fullereny, které mají ve své dutině umístěn atom či i
několik atomů kovu, se jako základ používají i vyšší molekuly, jako třeba C80
či C82. Z fullerenů se odvozují i uhlíkaté nanotrubičky. Ty na jedné straně
respektují hlavní topologický rys fullerenů výstavbu z proměnlivého počtu
šestiúhelníků a dvanácti pětiúhelníků jejich typickým tvarem je ale protažený
válec. Vlastní fullereny přitom bývají tvarem poměrně blízké kouli. Nejnověji
se ukazuje možnost připravit i fullereny menší než C60, např. C36, a molekuly
tvaru fullerenů složené i z jiných prvků než z uhlíku. Tzv. BN-fullereny
například obsahují pouze bór a dusík.

Nacházejí se fullereny i někde v přírodě, nebo je i nadále budeme muset
syntetizovat pouze laboratorně? V žádném případě nebyly fullereny v přírodě
zatím nalezeny v množství, které by mělo nějaký praktický význam. Kolem většiny
nálezů navíc existují určité nedořešené otazníky. Jedná se vždy o velmi malá
množství, prokazatelná analyticky, ale nevytvářející nějaké viditelné útvary.
Má se za to, že pokud fullereny v přírodě vznikly, většinou během dlouhých
geologických dob došlo k rozkladu vlivem vzdušného kyslíku a slunečního UV
záření. Jedině v případech, že vzorky byly před těmito vlivy chráněny, mohly se
fullereny zachovat. Dodnes též není definitivně rozhodnuto, zda fullereny k nám
mohou putovat v meteoritech z vesmíru, byť některá měření tuto možnost
naznačují.

Jakým způsobem se dnes fullereny nejčastěji připravují? Rozhodující metoda
přípravy využívá vypařování grafitu v elektrickém oblouku v atmosféře inertního
plynu. Zatím se příliš nevžila metoda přípravy fullerenů v plamenech různých
organických látek jako třeba benzenu, byť tento způsob je méně nákladný. Třetí
metoda pracuje se slunečním zářením koncentrovaným pomocí zrcadla do ohniska,
ve kterém je umístěn grafit.

Při jakých nejvyšších teplotách se u fullerenů ještě projevuje supravodivost?
Výzkum supravodivosti fullerenů prošel několika etapami. Poprvé byla
supravodivost fullerenů prokázána v roce 1991 u sloučeniny s draslíkem (K3C60).
Látka se takto chovala při 18 stupních nad absolutní nulou (18 K). Osvědčily se
i další alkalické kovy a sloučenina s cesiem (Cs3C60) posunula supravodivost až
na 40 K. Experimenty dokazující supravodivosti při ještě vyšších teplotách se
ale nepodařilo reprodukovat. Tak bylo např. oznámeno, že po přidání chloridu
jodného funguje supravodivost ještě při 60 až 70 K, ovšem tento objev se
nepodařilo potvrdit. Pres hranici 100 K posunul supravodivost fullerenů dosti
pověstný fyzik J. H. SchÖn, leč jen dočasně. Na jaře loňského roku se totiž
kolem celé řady výsledků tohoto německého fyzika začaly objevovat nejrůznější
nejasnosti, a po několikaměsíčním nezávislém šetření byly výsledky označeny za
neplatné a příslušné práce odvolány.

Jaké z fullerenů vykazují magnetické vlastnosti? K čemu jde organické magnety
využít? Podobně jako v případě supravodivosti ani magnetické vlastnosti nebyly
pozorovány pro čisté fullereny, ale pro jejich chemické sloučeniny. Jmenovitě
se to podařilo týmu kolem Freda Wudla, a to na sloučenině C60 s
dimetylaminoderivátem ethylenu. Magnetické vlastnosti se u této sloučeniny
objevovaly při teplotě 16 K. O nekovovém magnetu můžeme hovořit proto, že v
celé sloučenině není obsažen jediný atom kovu. K výhodám organických
magnetických materiálů by patřila zřejmě především nižší hustota, jejich
studium je však stále ještě ve fázi základního výzkumu. Poměrně nadějným
signálem je snad fakt, že v nedávné době byly připraveny i polymerní materiály
na bázi C60, které by měly být magnetické i za pokojové teploty.

Jak konkrétně půjde fullereny využít v molekulární elektronice? Dnes existuje
několik koncepcí a teprve další vývoj ukáže, která z nich se stane nosnou. Jako
první se objevila idea využití metalofullerenů, 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, přičemž
existuje možnost jeho překlopení do ekvivalentní, symetrické polohy. Pokud je
metalofulleren fixován na podložce, jsou obě polohy rozlišitelné a mohou
sloužit jako zápis nuly a jedničky. S větší intenzitou se ale 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.
Některé týmy pracují i na fullerenech, které mají uvnitř molekuly atom dusíku,
a snaží se pro molekulární elektroniku využít vlastností těchto systémů
vložených do trvalého magnetického pole.

Jaké jsou další možné příklady využití fullerenů v oblasti nanotechnologií?
Zajímavou ilustraci poskytl v tomto ohledu tým z japonské Tsukuby, který v
loňském roce připravil zjevně nejmenší teploměr, když do uhlíkaté nanotrubičky
zanesl tekuté galium. Značná pozornost je věnována molekulárním motorům a
aktuátorům (pohybovačům).

Články na téma fullerenů začaly na stránkách Computerworldu vycházet přibližně
před rokem. Co se v oboru událo během této doby? Značným překvapením byla
příprava nejmenšího fullerenu C20, nejprve v plynné fázi a pak i v podobě
tuhého materiálu. Příprava v plynné fázi byla provedena odbouráváním
halogenových atomů v halogenderivátu. Vyjasňují se vztahy mezi různými
krystalickými formami C60, z nichž některé se svojí tvrdostí vyrovnávají
diamantu, popř. mají tvrdost i vyšší.
Vedle vlastních fullerenů na bázi bóru a dusíku byly připraveny i analogické BN
nanotrubičky. Postupně se daří připravovat chemické deriváty fullerenů i
nanotrubiček, které jsou rozpustné v běžných rozpouštědlech, ba i ve vodě. To
představuje důležitý mezikrok pro využití ve farmaceutickém průmyslu.

Jaká jsou hlavní centra výzkumu fullerenů?
Roli vedoucích pracovišť si svým způsobem udržela obě centra, v nichž došlo k
objevům molekuly C60, tedy americký Houston s Rickem Smalleym a britský Sussex
s Harrym Krotem. Jinak však platí, že každá důležitá univerzita má vlastní
pracoviště, často pracující též jako výzkumné centrum pro nanotechnologie.
Mimochodem, v jedné přednášce jsem nedávno slyšel barvitý příměr: Pokud vezmeme
kapku vody a představíme si, že každá její molekula by mohla sloužit jako
paměťová buňka (ačkoli v současnosti nikdo na takové využití vody nepomýšlí),
kapacita té jediné kapky by byla srovnatelná s celkovou paměťovou kapacitou
všech počítačů, které jsou dnes k dispozici na celé planetě.
text ON-LINE
Kompletní verzi tohoto článku najdete na portálu Science World s datem 7. 2.
2003.









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