Student World

Je termín "nanotechnologie" nadužívaný? Mohou fullereny sloužit jako základ nanovláken? Dají se využít k chlazení procesorů či pro stavnu výtahu na oběžnou dráhu?Mohou sloužit pro léčbu AIDS či rakoviny? Jak se v medicíně uplatní fullerenové klece? Dají se již fullereny připravovat "standardní" laboratorní syntézou? A co výroba v fullerenů průmyslovém měřítku?

Na téma novinek v oblasti fullerenového výzkumu hovoříme profesorem Zdeňkem Slaninou, který se fullereny začal zabývat již v 70. letech minulého století.

V poslední době se objevily informace o nadějném fullerenu označovaném jako graphene, který by mohl mít některé vlastnosti předurčující ho pro výrobu nanovláken.

Graphene byl dlouho hypototetickým útvarem. Byla by to stěna nekonečné velkého fullerenu, tedy rovinná síť šestiúhelníku. Jinými slovy by se jednalo o nejtenčí možný grafit vůbec – čistě jednu vrstvu grafitu. Na podzim minulého roku byl posléze připraven graphene tlustý jen několik takových vrstev. Tento nový materiál má opět zajímavé vazby k tranzistorům.

Spekuluje se také o využití fullerenů pro vlákna výtahu na oběžnou dráhu, nebo rovnou pro stavbu prstence kolem naší planety.

Tato aplikace vychází z pevnosti nanotrubiček v tahu či tlaku, která může i výrazně překročit příslušné parametry pro ocel. Tato vlastnost byla právě ilustrovaná příměrem vlákna pro kosmické aplikace. Ale dodnes není zatím jasné, jak jednotlivé nanotrubičky do takového vlákna spojit.

Uvažuje se také o využití fullerenů při chlazení příští generace procesorů…

Pro zlepšení odvodu tepla se uvažuje například o možnosti začít v mikroelektronice používat diamantových filmů – a to právě vzhledem k dobře tepelné vodivosti diamantů. Touto vlastnosti se vyznačují třeba i nanotrubičky. Nicméně při aplikacích v molekulární elektronice může být produkce tepla snížena i tak, že ve skutečnosti nepůjde o elektrický proud, nýbrž o záznam některých spekter.

Jak to doopravdy vypadá se škodlivostí fullerenů?

První pokusy na laboratorních zvířatech toxicitu fullerenů neukázaly. Faktorem zde může být i jejich nízká rozpustnost. Naopak pro lékařské aplikace by však spíše bylo zapotřebí rozpustných fullerenů. Povzbudivé jsou např. výsledky v testování fullerenových derivátů při léčbě HIV či rakoviny. V používaných koncentracích se nějaké vedlejší účinky ani zde zatím neprojevily. Naopak je zajímavé, že fullerenové "klece" jsou nyní již velmi blízko praktickému používání v lékařství jako ochrana před toxicitou kovů. V první řadě jde o použití kovů jako kontrastního materiálu při zobrazování pro diagnostické účely, kdy jinak jedovatý kov je umístěn ve fullerenové "kouli". Další obdobné použití se rýsuje pro léčebné aplikace radioaktivních prvků, zase umístěných uvnitř fullerenové "klece", což by mělo opět eliminovat problém vedlejších účinků vyplývajících z chemické jedovatosti těchto prvků.

Jaké látky dnes konkurují ve využití fullerenům? (Mám na myslí molekuly typu helicenů apod.)

Jako molekulová paměť může v principu sloužit každý systém, který vykazuje dvě formy – existuje ve dvou isomerech z nichž jeden slouží jako logická jednička a druhý jako logická nula. Podstatně je, aby tyto dvě formy relativně snadno přecházely jedna na druhou, a současné pak v té zkonvertované podobě byly i dostatečně stabilní – tj. neměnily se samovolně.
Dnes je studován velký počet anorganických komplexů, organokovových sloučenin či systémů s vodíkovými vazbami, které všechny vykazují takovéto rysy. Nakonec může vzniknout celá řada typů pamětí na molekulární úrovni.

Umíme nyní připravovat uhlíkaté trubičky o definovaném chemickém složení?

Tento aspekt je zatím slabinou studia nanotrubiček. Při přípravě vzniká pestrá směs forem, které jsou od sebe těžko oddělitelné. Spíš se tak dá říci, že každá nanotrubička představuje originál, jehož úplně přesně kopie jsou ve větším počtu zatím nepřipravitelné. To sice nemusí být kritické pro všechny aplikace, ale faktem zůstává, že skutečná kontrola syntézy nanotrubiček zatím neexistuje.

Fullereny se dnes připravují laboratorně, nebo se došlo už i k průmyslové výrobě?

Zatím první skutečnou výrobu v průmyslovém měřítku zavedla japonská společnost Mitsubiši ve své dceřiné firmě Frontier Carbon Corporation s provozem na jižním japonském ostrove Kjúšú. Zde se fullereny produkují právě řízeným spalováním organických látek. Jedná se o výrobu v tunových množstvích (za rok) s možností dalšího podstatného zvýšení. Výroba v průmyslovém měřítku přinesla podstatné snížení ceny fullerenových materiálů. Firma Mitsubiši nyní spolupracuje i na výrobě v USA, a to včetně nanotrubiček.

Jaký je váš názor na současné nanotechnologie? (textilie, nátěry apod.) Jde opravdu o předzvěst toho, co předvídali vizionáři nanotechnologií, nebo se jedná pouze o to, že výrobci se chytili termínu, který začal být módní?

Termín nanotechnologie je bohužel nadužíván a trivializován. V původním smyslu slova označovaly nanotechnologie velmi cíleně přípravy systému na molekulární úrovni se specifickými, jedinečnými funkčními vlastnostmi. Z toho důvodů musí jít o poměrně komplikované systémy, které se navíc musejí uspořádat samorganizaci – "silami přírody". Je dobré si uvědomit, že i příroda sama od nepaměti s nanotechnologiemi úspěšně pracuje. Živou hmotu organizuje molekulu po molekule a činí tak velmi efektivně, protože tímto způsobem vytváří velmi sofistikované funkční vlastnosti.

Vědci firmy Motorola oznámili v roce 2003 technologií, která umožňuje připravovat fullereny i za nízkých teplot. Jaké jsou pokroky/trendy v této oblasti?

V organické chemii platí tradiční požadavek nalézt pro každou látku úplnou syntetickou cestu z jednoduchých, běžné dostupných sloučenin, a běžnými postupy. Standardní organická syntéza fullerenů se neúspěšně hledala dokonce před jejich získáním přes veskrze netradiční syntetický prostředek – elektrický oblouk. Taková syntéza skutečně nedávno provedena byla. Obsahuje ovšem řadu kroků a v jisté fázi stejně vyžaduje aplikaci vyšších teplot. Věc nemá zatím přímý prakticky význam, být už dnes se může stát mj. zdrojem nových fullerenovych struktur.

Zdeněk Slanina se uhlíkatými klastry začal zabývat již v 70. letech v rámci ČSAV. Od úředního rozhodnutí v 80. letech, podle kterého jsou fullereny jsou pro náš akademický výzkum bezperspektivní, působí v zahraničí. Své výzkumy prováděl Zdeněk Slanina v předních fullerenových laboratořích v Německu, USA, Belgii, Tchajwanu a Japonsku. V posledních dvou zemích se stal i řádným univerzitním profesorem.

Původní rozhovor o fullerenech, který na Science Worldu vyšel na počátku roku 2003. Tučně je do textu vyznačeno několik aktualizací.

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 s 60 a 70 atomy. Pro metallofullereny, 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 – výstavba 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 složení i z jiných prvků než z uhlíku.
Tzv. BN-fullereny například obsahují pouze bór a dusík. Existují už též kombinace fullerenů a nanotrubiček, kdy fullereny jsou uloženy uvnitř, takže celek připomíná hrachový lusk (a také se tak v angličtině nazývá – peapod).

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. Fullereny byly např. nalezeny ve sklovitém materiálu, který vzniká při úderu blesku do země či v nerostech nacházejících se v oblasti uhelných nalezišť na severu Ruska poblíž finských hranic. Podobně lze stopy fullerenů objevit ve vzorcích z uhelných pánví na jihu Číny.
Jedna 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 fullerenu 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. Postupný rozvoj průmyslové produkce významně snížil ceny fullerenů. Časově nejnáročnější fází celého procesu je separace jednotlivých fullerenů pomocí kapalinové chromatografie.
Jako zajímavost lze uvést, že do komerční produkce fullerenů se úspěšně zapojili Rusové.
To jsou ale produkce spíše v laboratorním měřítku. Zatím první skutečnou výrobu v průmyslovém měřítku zavedla japonská společnost Mitsubiši ve své dceřiné firmě Frontier Carbon Corporation s provozem na jižním japonském ostrove Kjúšú. Zde se fullereny produkují právě řízeným spalováním organických látek. Jedná se o výrobu v tunových množstvích (za rok) s možností dalšího podstatného zvýšení. Výroba v průmyslovém měřítku přinesla podstatné snížení ceny fullerenových materiálů. Firma Mitsubiši nyní spolupracuje i na výrobě v USA, a to včetně nanotrubiček.

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 iodného funguje supravodivost ještě při 60 – 70 K, ovšem tento objev se nepodařilo potvrdit. Pres hranici 100 K posunul supravodivost fullerenů dosti pověstný fyzik J. H. Schön, leč jen dočasně. Kolem celé řady výsledků tohoto německého fyzika se totiž postupně začaly objevovat nejrůznější nejasnosti, a po několikaměsíčním nezávislém šetření byly výsledky označeny za neplatné a příslušné práce odvolány. Celá záležitost není úplně přehledná, a třebaže celá řada prací publikovaných ve vědeckých časopisech byla odvolána, nebylo přesně specifikováno, k jakým vlastně došlo chybám. J. H. Schön sám, pokud ještě odpovídal na dotazy, věřil, že své systémy opět dokáže aktivovat.

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 dimetylamino derivátem ethylenu. Magnetické vlastnosti se u této sloučeniny objevovaly 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 metallo-fullerenů, 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 metallo-fulleren 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).

Jaké jsou novinky z poslední 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 boru 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 Smalleyem a britský Sussex s Harry Krotem. Jinak však platí, že každá důležitá universita 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 (ačkoliv 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.

autor Pavel Houser