Ani pro naše vědce již dnes prakticky neexistují hranice. Proto se s nimi můžeme setkat na špičkových vědeckých pracovištích celého světa. V této nové rubrice se za některými z nich na jejich současná působiště podíváme. Dnes 21. STOLETÍ navštívilo ve Stuttgartu Ing. Jiřího Čecha.
Kdo je Ing. Jiří Čech?
V německém Max Planck Institutu ve Stuttgartu, ve skupině prof. Klause von Klitzinga, nositele Nobelovy ceny za fyziku (1985), pracuje již více než 3 roky mladý vědec Ing. Jiří Čech.
Do světoznámého německého vědeckého centra přišel v roce 2002, krátce po absolvování fakulty chemicko-technologické na Univerzitě Pardubice. Tam poprvé „přičichl“ k nanotrubkám.
Jako hostující vědec již krátce pracoval i ve Steacie Institute for Molecular Sciences v kanadské Ottawě a posléze i v Yangtze Nanomaterials v čínské Šanghaji.
Ve skupině prof. Klause von Klitzinga,, která má v „pracovní náplni“ nanotrubky a molekulární elektroniku, dnes spolu s ním pracuje 15 vědců z 10 zemí (z Ruska, Finska, Turecka, Polska, Slovenska, Koreje, Číny, Tajwanu…). „Zabývám se zde výzkumem přípravy a charakterizace uhlíkových nanotub“ řekl 21. STOLETÍ Jiří Čech.
Z jeho zaujetí výzkumem je zcela zřejmé, že titul PhD. není tím hlavním důvodem jeho zdejšího postgraduálního studia. Podstatné jsou pro něj výsledky! „Nikdo mě zde neúkoluje a za čas věnovaný výzkumu jsem zodpovědný především sám sobě,“ dodává.
50 000krát tenčí než lidský vlas!
Uhlík nás stále udivuje tím, jaké rozdílné vlastnosti může mít. Od prostého grafitu (tuhy) přes diamanty, nanopěnu (síť uhlíkových trubiček dlouhých pouze několik nanometrů) a fullereny (uhlíková molekula ve tvaru kopacího míče) se dostáváme k nanotrubkám. A z těch opět vytvoříme něco, co je tvrdší než diamant. Stále se jedná o jeden druh atomu, ale pokaždé je to navenek něco zcela jiného. Příroda si pro nás schovává ještě hodně tajemství.
Úžasný materiál budoucnosti
Jednovrstvé uhlíkové nanotuby (SWCNT) udivují již od svého objevu v roce 1991 řadu vědců z celé palety oborů. Jejich unikátní mechanické vlastnosti, které jsou o několik řádů lepší než u nejlepších ocelí (mechanická pevnost 50 až 100krať vyšší) je předurčují jako materiál pro konstrukci extrémně lehkých a odolných kompozitů budoucnosti. Zároveň ovšem fascinují řadu fyziků, neboť se mohou chovat buď jako vodiče i jako polovodiče. Přitom jsou velmi dobře tepelně vodivé, chemicky odolné a v neposlední řadě se svými typickými rozměry (délka v řádu mikronů a průměr jen 0,8 – 1,8 nm ) řadí mezi „chladné vysilatele“ elektronů ať již pro účely generování rentgenového svazku či pro ultraploché, vysoce svítivé displeje. „Zároveň je zde ovšem řada problémů které musíme před komercializaci zcela nové generace materiálů vyřešit“ doplňuje Jiří Čech.
Jak vypadá mikroskopická trubka?
Nano značí jednu miliardtinu, nanometr je pak jednotka vhodná pro měření vzdálenosti mezi atomy. Nanotechnologie jsou tedy činnosti, vedoucí k přípravě materiálu a zařízení takřka atom po atomu.
A co jsou zač ty nanotrubky? Můžete si je představit jako do trubky stočenou šestiúhelníkovou síť, připomínající např. plástev včelího vosku. V každém rohu šestiúhelníku je atom uhlíku a to vše je přiměřeně zmenšeno tak, aby výsledek měl v průměru pár nanometrů (přibližně 50 000krát tenčí než lidský vlas) a na délku pár mikrometrů.
Mohou vést elektrický proud jako měď, a teplo jako diamant. Nikdy předtím nebyl k dispozici lepší materiál, a dost pravděpodobně ani nikdy v budoucnu už lepší materiál nepřipravíme.
K čemu to je?
Dnes je už známo mnoho velmi zajímavých vlastnosti nanotrubek a dá se tak předpokládat, že tyto miniaturní roury budeme za pár let nacházet všude. Možnosti použití „nanotubes“ se někdy zdají až pohádkové.
Nejpohádkovějšímu použití nanotrubek brání to, že je nedokážeme vytvořit dostatečně dlouhé. Jejich pevnost je totiž tak velká, že by z nich bylo možné sestrojit lano vesmírného výtahu, které by uneslo nejen samo sebe, ale ještě bychom se na něm mohli vyvážet na oběžnou dráhu.
Velmi slibný je pokrok ve výzkumu jejich elektrického chování. Ukázalo se totiž, že některé nanotrubky se mohou chovat i jako polovodiče. To otevřelo cestu ku kvantovým či molekulárním tranzistorům. Tým z technické univerzity v holandském Delftu například již z těchto čistě uhlíkatých nanotrubek sestrojil molekulární tranzistor, fungující i za pokojové teploty. To otevírá cestu k molekulové elektronice, umožňující další pronikavou miniaturizaci výpočetní techniky a tak i další podstatně zvýšení rychlosti počítačů.
Objevily se zprávy, že se nanotrubky již objevily v křemíkovém obvodu a díky anténám s nanotrubkami se taky nejspíš dočkáme mnohem lepšího signálu v telefonech, televizích … Nanotrubky mohou změnit i oblast úschovy energie a vést k rozvoji alternativních pohonů vozidel založených na vodíku.
Vědci dnes již například pracují na využití uhlíkových nanotrubek pro výrobu ultraodolných vláken, třeba pro neprůstřelné vesty.
„Ročně se dnes ve světě spotřebuje neuvěřitelných cca 100 tun nanotub, např. v akumulátorech mobilních telefonů a notebooků – prodlužují životnost“ prozradil nám Jiří Čech. „ A spotřeba určitě nadále poroste!“
Sympatický vedlejší produkt
Jednovrstvé uhlíkové „nanotuby“ lze připravit řadou metod, jimiž také získáme nanotrubky různé kvality. Běžně se používá syntézy v elektrickém oblouku mezi uhlíkovými elektrodami v inertní (netečné) atmosféře. „Tato metoda původně sloužila k výrobě sférických fullerenů (uhlíková molekula ve tvaru kopacího míče), kde za určitých podmínek byly jedním z vedlejších produktů vícevrstvé nanotuby (MWCNT). Přidáním kovových katalyzátorů (Y, Ni, Co, Fe) se podařilo připravit i jednovrstvé nanotuby“, vysvětluje Jiří Čech.
Pro výrobu se v současnosti nejčastěji používá generátoru (cca 100A, napětí mezi elektrodami je 25 – 35V). Jako inertní plyn slouží helium při tlaku okolo 600 mbar. Katalyzátor je přitom zpravidla umístěn v dutině, vyvrtané v ose grafitové anody.
Pod palbou laseru
Další používanou metodou je odpařováni směsi grafitu a kovových katalyzátorů paprskem pulsního laseru. Celá taková operace probíhá v trubkové peci při teplotách okolo 1200°C. Zpravidla se používá dvou velmi krátkých pulsů s odstupem v desítkách nanosekund. Opět se přitom pracuje v proudu inertního plynu, kterým bývá nejčastěji argon. Vznikající materiál s vysokým podílem SWCNT se zachycuje na chladiči na konci pece.
„Kvalita takto připravených nanotub je vyšší než u jiných metod, jejich použití je však limitováno relativně vysokou cenou (cca 1000 EUR/g) a nemožností produkce větších než gramových množství“, říká Jiří Čech ve chvíli, kdy právě u takového zařízení stojíme.
V současné době se vědci snaží nahradit laserové pulsy jiným dostupnějším zdrojem energie. Proběhly již pokusy ve sluneční peci a testuje se i možnost nahradit laser jiskrovým výbojem.
Jen tam kde chceme…
Třetí, nejrozšířenější metodou přípravy nanotrubek je pyrolýza (tepelný rozklad látek) či takzvaná chemická depozice z par (CVD). Při ní se na kovovém katalyzátoru, působením vysokých teplot v trubkovém reaktoru, rozkládají sloučeniny uhlíku (CO nebo uhlovodíky). Jako nosný plyn je opět používán netečný plyn, často ve směsi s vodíkem. Kvalita takto získaných nanotrubek je sice poměrně nízká (obsahují značné množství defektů), ale jsou relativně levnější a dostupnější. Další výhodou je možnost naneseni katalyzátoru, například mikrotiskem čí litograficky, jen na požadovaná místa. Nanotrubky pak rostou jen tam, kde chceme!
