Novi materijali

Fulereni Harold W. Kroto (Sussex University, England), Richard E. Smalley (Rice University,

USA) i Robert E. Curl (Rice University, USA), sasvim slučajno su 1985. godine, među molekulima nastalim dejstvom laserskih zraka na grafit u inertnoj atmosferi, otkrili molekule ugljenika, koji su se sastojali 60 ugljenikovih atoma.

Zbog tog otkrića trojici navedenih naučnika dodeljena je Nobelova nagrada za hemiju 1996. godine.

Ta struktura imenovana je kasnije po ekscentričnom arhitekti Bakminister Fuler-u, koji je projektovao kupolu Geodezijskog doma za američki paviljon EXPO '67, koja je imala potpuno sličan izgled kao data struktura, zbog čega je i dobila naziv fuleren.

Danas, pored fulerena C60, poznata je cela familija fulerena (C70, C82,..., C540), koji predstavljaju kavezaste sferne molekule, koji pripadaju tzv. trećoj alotropskojmodifikaciju ugljenika

Najstabilniji predstavnik te familije molekula je molekul C60. Danas je definicijom fulerena obuhvaćena čitava familija zatvorenih, sfernih

ugljovodoničnih struktura, kaveza, mreža sa obaveznih 12 pentagona i neograničenim brojem heksagona.

Molekul C60 gradi kristalnu formu koja po svojoj simetričnosti spada u najviši rang uređenosti nekog sistema.

Kao individualni molekul, C60 čvršći je od dijamanta, međutim, kada kristališe, kristalna rešetka mu je meka skoro kao kod grafita.

Kako C60 ima osu petog reda, to su njegova struktura i energetska stanja određena osobina zlatnog preseka.

2

Iako vrlo stabilan, molekul C60 je neočekivano reaktivan, tako da je danas poznato više

od 6500 potpuno novih jedinjenja na bazi ovog molekula.

Detaljnija ispitivanja strukture pokazala su da je 60 atoma ugljenika raspoređenih po

površini klastera kružno, sa jednakom gustinom naelektrisanja.

Na tu činjenicu ukazivalo je postojanje jednog jedinog signala u 13C NMR spektru

3

Kavezi fulerena: a) C60 ,

b) C70 i c) LaC82

Strukturne transformacije fulerena mogu da se izvedu na nekoliko različitih načina,

koji obuhvataju: i) kovalentno vezivanje atoma ili molekula za fulerenski ugljenični

sferoidni skelet; ii) zamenu ugljenikovih atoma sa površine sfere drugim atomima

pri čemu se formiraju heterofulereni sa B, Si ili N; iii) stvaranje endohedralnih

kompleksa (u vakumski deo sfere fulerena ugrađuju se elementi, joni ili radioaktivni

izotopi) i iv) formiranje međumolekulskih interkalarnih veza (superhemijske veze.

Moguće primene Zbog svojih izuzetnih osobina (sposobnosti ugradnje katjona, posebno katjona

radioaktivnih elemenata, superprovodljivosti, hemijske inertnosti), fulereni danas

imaju brojne primene u medicini.

Primera radi, radioaktivni elementi zarobljeni u fulerenskim kavezima pogodni su

za kreiranje specifičnih nosača lekova za ciljanu terapiju malignih oboljenja kostiju

i nekih mekih tkiva.

Da bi zbog svoje hidrofobnosti, mogao nesmetano da cirkuliše unutar telesnih

fluida, neophodno je površinu fulerena funkcionalizovati dodatkom različitih

aktivnih grupa, kao što su: -OH, -NH2, -NHR, -COOH, -OCCOR, -NHCOR grupe.

Posebno su zanimljiva istraživanja fulerena vezana za smanjenje toksičnih

kiseoničnih radikala adriamicina, koji predstavlja antraciklinski antibiotik koji se

koristi za lečenje akutne leukemije, Hočkinsovih i ne-Hočkinsovih limfoma,

karcinoma pluća, dojki, jajnika, materice, prostate, kao i nekih čvrstih tumor

. Molekulskim modelovanjem pokazano je u nekim istraživanjima da se sfera C60

geometrijski skoro idealno uklapa u hidrofobna mesta HIV-1 proteaze (HIVP),

jednog od ključnih proteina za životni ciklus virusa HIV-1. To je možda jedan od

mogućih puteva u budućem lečenju HIV-a

4

Komponente na bazi grafena

Grafen je skup atoma ugljenika raspoređenih u ravni debljine jednog

atoma, pri čemu su atomi gusto spakovani u rešetku oblika pčelinjih

saća.

Za razliku od njega, grafit se sastoji od velikog broja grafenskih ravni

naslaganih jedna na drugu

5

Dve osnovne električne karakteristike izdvajaju grafen od ostalih

materijala.

Prva je specifična otpornost: na sobnoj temperaturi je ρ ≈ 1 μΩcm, što je

za 35% niža otpornost od specifične otpornosti koju ima srebro i koja je do

sada bila najniža od svih poznatih otpornosti na sobnoj temperaturi.

Druga je, takođe do sada nezabeležena, izuzetno visoka pokretljivost

elektrona, koja se procenjuje na preko 100000 cm2 /Vs, a kao granična

vrednost čak na 200000 cm2 /Vs.

Kada se vrednost ove pokretljivosti uporedi sa vrednošću pokretljivosti

elektrona u silicijumu (maksimalna je 1420 cm2 /Vs) i sa do sada

najvećom pokretljivošću elektrona od 77000 cm2/Vs za koju se zna da

poseduje neki materijal (u indijum-antimonidu), vidi se kolika je prednost

grafena u odnosu na sve ostale poluprovodnike.

6

Grafen se sastoji od dva sloja dimenzionalnog ugljenika u kojima su atomi

ugljenika raspoređeni na šestougaone rešetke.

Ugljenikove nanocevčice su dobre rezerve listova grafena i gustih gomila

listova grafena, koji prave grafit.

Sam grafen ima neke posebne karakteristike – izuzetno je otporan na

habanje, odličan je toplotni provodnik i poseduje ravnotežu između

lomljivosti i rastegljivosti.

Pored toga, grafen je nepropustan za gasove, što ga čini zanimljivom

aplikacijom za vazdušne membrane.

Zbog svojih neobičnih elektronskih svojstava, grafen se, kao što je već i

napomenuto, smatra za potencijalnu zamenu silicijuma u

poloprovodničkim tehnologijama.

Umetanjem rupa specifičnih veličina i distribucija u listove grafena,

trebalo bi da bude moguće podstaći posebne elektronske karakteristike

materijala.

Zbog takvih razloga, sprovode se intenzivna ispitivanja i istraživanja širom

sveta, o sintezi i karakteristikama dvo-dimenzionalnog grafina, sličnog

polimeru7

Pored pomenutog, dobra osobina grafena je što, iako se komercijalno

teško proizvodi, lako nanosi naparavanjem, tako da je proizvodnja

komponenata sa njim kompatabilna sa tehnologijama proizvodnje

silicijumskih komponenata.

Na slici su prikazana dva tipa MOS tranzistora koja, umesto kanala od

silicijuma između sorsa i drejna, koriste grafen.

8

Dva tipa MOS tranzistora sa grafenom.

Na Univerzitetu Rajs utvrđeno je da grafen može da posluži i kao osnovni element

nove vrste memorije koja bi omogućila njen ogroman kapacitet.

Oni smatraju da bi grafenska memorija mogla da poveća kapacitet skladištenja

podataka u dvodimenzionalnoj ravni pet puta, jer se pojedinačni bitovi mogu

smestiti u strukture manje od nekoliko nanometara, za razliku od današnjih kola u

čipovima fleš memorija čiji su elementi znatno većih dimenzija.

Novi prekidači mogli bi da se kontrolišu sa dve elektrode umesto tri u sadašnjim

čipovima.

Zahvaljujući tome moći će da se prave trodimenzionalne memorije, s obzirom da

se grafenske ravni mogu naslagati, pa bi se kapacitet uvećavao sa svakim dodatim

slojem. Pošto su to u osnovi mehanički uređaji, takvi čipovi skoro da ne bi trošili

nikakvu energiju dok čuvaju podatke.

Ono po čemu bi se grafenske memorije razlikovale od drugih memorija sledeće

generacije bio bi odnos potrošnje u uključenom i isključenom stanju. Taj odnos bi

bio ogroman milion prema jedan. To znači da bi isključeno stanje držalo milioniti

deo struje u odnosu na uključeno stanje. S obzirom da postoji struja curenja i u

isključenom stanju, u ovakvim memorijama bi se moglo poređati milion

isključenih prekidača pre nego što počnu da se ponašaju kao jedan uključen, što bi

omogućilo da se realizuju mnogo moćnije strukture.

3/17/2020 NANOTEHNOLOGIJE - 2017/18 9

Komponente na bazi ugljeničnih

nanocevi

Kada se grafenska mreža savije u sićušnu cev prečnika reda nm dobija se

ugljenična nanocev.

Ovakva nanocev funkcioniše kao izuzetan provodnik dok se nalazi u

formi „žice", ali kad se na njoj napravi čvor ili delimični prelom, ponaša se

kao poluprovodnik.

Nizovi od nanocevi se mogu povezati u funkcionalne elektronske delove i

uređaje koristeći već poznate tehnologije za proizvodnju čipova.

Dakle, ugljenične nanocevi su izgrađene samo od atoma ugljenika koji su

raspoređeni u šestougaonu ravnu mrežu koja u čvorovima ima atome.

Postoje jednozidne i višezidne ugljenične nanocevi. Višezidne nanocevi se

sastoje od nekoliko koncentričnih jednozidnih nanocevi.

10

11

12

13

Osim u svetu računara očekuje se da će ugljenične nanocevi doneti

revoluciju i u raznim drugim industrijama, s obzirom da su izuzetno jake.

Glavna prednost budućeg procesora od ugljeničnih nanocevi nad

silicijumskim bila bi veličina.

Ugljenični procesor bio bi nekoliko puta manji, a samim tim i brži.

Premda istraživači trenutno imaju problema kako da slože nanocevi u

kompleksna elektronska kola, ova tehnologija ima svetlu budućnost.

Takve strukture imaju sledeća svojstva:

veličina: prečnik od 0,6 nm do 1,8 nm; dužina od 1 μm do 10 μm;

gustina: 1,33 do 1,40 g/cm 3 ;

otpornost na istezanje: najmanje 10 (ponekad i 100) puta veća od čelika;

otpornost na pritisak: dva reda veličine veća nego kod dosad najčvršćih vlakana

kevlara;

tvrdoća: oko dva puta veća od dijamanta;

elastičnost: mnogo veća nego kod metala ili ugljeničnih vlakana;

toplotna provodnost: predviđa se da je veća od 6000W/m⋅K (dijamant 3320W/m⋅K);

električna provodnost: veća od bilo kojeg drugog provodnika;

14

Sinteza Nanocevi

15

3/17/2020 NANOTEHNOLOGIJE - 2011/12 16

17

Potencijalne primene nano cevi u medicini

Regeneracija kostiju

Regeneracija neurona

Dostavljanje lekova do ćelija

Oplemenjivanje ugljeničnih nanocevi

Reakcija na zidovima nanocevi

Prvi pristup u kome se koriste reakcije adicije,

primenjuje se za vezivanje nekih organskih grupa na

zidovima i/ili vrhovima ugljeničnih nanocevi.

Kod tog pristupa jednoslojne ugljenične nanocevi

prvo se prečišćavaju i mešaju sa anilinom.

Mešanjem nanocevi se raspliću iz svežnjeva i izlažu

reaktivnom agensu.

Individualne nanocevi se kovalentno funkcio-

nalizuju da bi se sprečilo njihovo ponovno

sprezanje u svežnjeve.

Tako pripremljene nanocevi su raspoložive za

vezivanje aktivnih molekula, usled čega je njihovo

rastvaranje poboljšano.

20

Oksidacija praćena vezivanjem

karboksilnih grupa

• Kod primene ove metode, otvara se vrh cevi i kreira šupljina u zidu pomoću procesa

oksidacije u jakoj kiselini.

• Pored toga, ove šupljine, nastale oksidacijom sa karboksilnim kiselinama,

poboljšavaju rastvorljivost takvog sistema u vodi. Karboksilne grupe dopuštaju

kovalentno povezivanje sa drugim molekulima kroz amidne i estarske veze.

• Na taj način moguće je ugljeničnu nanocev konjugovati sa različitim funkcionalnim

grupama kao što su bioaktivni agensi (peptidi, proteini, nukleinske kiseline,

terapeutski agensi, kao i lekovi za lečenje kancera, itd.).

• Važna je i poboljšana rastvorljivost ugljeničnih nanocevi kako u vodi, tako i u

organskim medijumima. Prisustvo karboksilnih grupa na zidovima ugljeničnih

nanocevi smanjuje van der Waals-ove interakcije između cevi, omogućavajući

rasplitanje svežnjeva nanocevi u pojedinačne nanocevi.

Regeneracija kostiju

Dobra mehanička svojstva

Dužina 100-300nm

Širina 0.5-1.5nm

Nedostatak funkcionalnih

grupa za vezivanje Ca

Regeneracija neurona

Zahtevi:

◦ Dobra elektroprovodnost

◦ Mogućnost narastanja

Povećanje bioaktivnosti presvlačenjem nanocevi slojem biomolekula

Regeneracija neurona

Dijagnostika neuroloških poremećaja

Ugradna implanta u mozak Otkrivanje potencijalnih

uzroka Parkinsonove bolesti, paralize...

Primena CNT u procesu lečenja

Najveća primena kod tretiranja ćelija tumora

Selektivno lečenje obolelih ćelija

Komponente na bazi organskihpoluprovodnika

27

• Za plastične komponente i čipove koristili bi se organskipolimeri, jedinjenja koja sadrže nizove atoma ugljenika, koji je silicijumu "komšija" u periodnom sistemu elemenata.

• Ovi polimeri čine plastiku koja je promenljivog oblika i prirode.

• Naime, Nobelovu nagradu za hemiju 2000. godine dobili suistraživači koji su pronašli da pojedine vrste ovakveplastike provode struju.

• Skoro istovrermeno je ustanovljeno da je moguće proizvestielektroluminiscentne diode (OLED − Organic LED) i tankoslojnetranzistore (OTFT − Organic Thin Film Transistor) koristeći tankefimove različitih organskih materijala.

28

• Otkrićem polimernih provodnika i poluprovodnika, otpočela je serija razvoja novih materijala koji mogu dostići stostrukosmanjenje dimenzija komponenata, a samim tim i elektronskihkola.

• Za razliku od neorganskih poluprovodnika (npr. silicijuma), organski polimerni poluprovodnici su fleksibilniji i lakši.

• Prednost komponenata od organskih polimernih poluprovodnikau odnosu na sadašnje silicijumske komponente bila bi niskacena i jednostavnost proizvodnje, ali zbog veoma male pokretljivosti nosilaca naelektrisanja takve komponente bi se koristile za masovnu proizvodnju komponenata samo ondegde nije neophodna velika brzina njihovog rada.

• Naime, za sada, plastični tranzistor još nije dovoljno brz da bi se koristio u računarima, ali zato može da nađe primenu u širokom spektru druge elektronike, kao što je ugradnja u displeje i "smart" kartice.

29

Postoje dve klase materijala od kojih se mogu praviti organski poluprovodnici: polimerni i na bazi malih molekula.

U organske poluprovodnike na bazi malih molekula, koji mogu biti i amorfni i kristalni, spadaju takozvani aromatični ugljovodonici kao što su naftalen, antracen, tetracen, pentacen, rubren, i njihovi derivati.

U polimerne spadaju polivinil, poliacetilen i drugi.

Kristalni materijali imaju veću pokretljivost nosilaca od polimernih.

Materijali za organske poluprovodnike

Maksimalna pokretljivost nosilaca (šupljina konkretno) je eksperimentalno utvrđena u rubrenu i iznosi 40cm2s-1V-1, što je ipak manje od pokretnjivosti nosilaca u silicijumu.

Pentacen je materijal kome se poklanja najveća pažnja zbog malog energetskog procepa (0.874eV), što ga čini dobrim kandidatom za primenu u elektronskim uređajima.

Ovi materijali su u realnosti polikristali, što znači da u njima postoji veliki broj kontaktnih površina između monokristalarazličite kristalne rešetke.

Poznato je da upravo te kontaktne površine ograničavaju transportne osobine materijala ali nije poznato kako.

KRISTALNI ORGANSKI POLUPROVODNICI

Za osobine organskih poluprovodnika odgovorna je zona, koja je podeljena na dve zone - popunjenu (valentnu) i nepopunjenu * (provodnu) zonu.

Između ove dve zone nastaje energijski procep, kao sto je prikazano na slici.

Najviše popunjeno mesto u valentnoj zoni i najniže prazno mesto u provodnoj zoni se označavaju sa HOMO i LUMO, respektivno.

Molekuli nekih kristalnihorganskih poluprovodnikaprikazani su na slici.

Njihova osnovna jedinica je benzenov prsten.

Kristalni organski poluprovodnici: 1 naftalen, 2 antracen, 3 tetracen, 4 pentacen, 5 piren, 6 perilen, 7 krislen, 8 pirantren, 9 izoviolantren, 10 antraten, 11 koronen, 12 ovalin, 13 violantren, 14 p-terfenil, 15 rubren, 16 m-dinaftantren, 17 antatron, 18 m-dinaftantron, 19 violantron, 20 pirantron, 21 izoviolantron

Jedinična čelija kristalnihorganskih poluprovodnikaje uglavnom monokliničnai triklinična.

Jedinična celija kristalne rešetkeantracena(levo) i pentacena(desno)

Primer monokliničnog materijala je antracen (na slici levo), a primer trikliničnog materijala je pentacen(desno na slici).

Materijal Naftalen

temperatura topljenja (◦C) 80

tip ´celije monokliniˇcka

a (nm) 0.824

b (nm) 0.600

c (nm) 0.866

α◦ 90

β◦ 122.9

γ◦ 90

Parametri jedinične ćelije kristalne rešetke naftlena

Organski poluprovodnici doživeli su najveću komercijalizaciju u organskim svetlečim diodama u televizorima.

OLED televizori ne zahtevaju pozadinsko osvetljenje pa su znacajno tanji od LCD ili LED televizora.

Ukupna vrednost OLED ekrana na trzistu 2015. godine je projektovana na 4 440 miliona dolara.

Sto se tice primene u tranzistorima, najdalje su otišli tranzistori sa efektom polja na bazi rubrena, ostvarivši pokretljivost od 40 cm2s-1V-1.

Razvoj solarnih celija na bazi organskih poluprovodnika traje poslednjih 10-tak godina.

Za razliku od drugih tehnika, ove solarne celije stalno ostvaruju sve vecu efikasnost.

Poslednji rekord postavila je nemačka kompanija Heliatek. On iznosi 10.7% i to upravo za organske poluprovodnike na bazi malih molekula.

Postoje i organski tranzistori

na slici je prikazana najčešća arhitektura organskogtranzistora tankog filma sa elektrodama sorsa i drejnadeponovanih direktno na poluprovodnički sloj.

Funkcije ovog tranzistora slične su funkciji tipičnog ne organskog MOSFET-a

38

• Organski polimeri su veoma aktuelni u istraživačkim krugovima, jer zbog svoje praktičnosti i visokih performansi mogu da otvorepotpuno nove horizonte u nauci i dovedu do novog poglavlja u izradi, potpuno futurističkih, elektronskih uređaja (npr. digitalnog ili elektronskog papira, koji može da se baci kada se isprlja, jer je toliko jeftin i proizvodi se jednostavno, kao prilikomink-džet štampe).

• Ipak, može se reći da sva istraživanja streme ka zamenidanašnjih procesora plastičnim.

• Možda to sve za sada izgleda kao naučna fantastika, aliće organski polimeri sigurno naći svoje mesto u elektronici.

• A da li će “šestijum 8” biti izrađen od plastike, savitljiv i jeftin, još je rano da se predvidi.