1. ábra. Szén nanocsô származtatása hatszöges rács feltekerésébôl

MINDENTUDÁS AZ ISKOLÁBAN

SZÉN NANOCSÖVEKA jövô – és részben már a jelen – ígéretes anyagai

Napjainkban egyre többet hallani a nanotechnológiaiforradalomról. Nem is olyan régen a miniatürizálás-ban a csúcsot még az olyan szilíciumalapú mikrocsi-pek jelentették, amelyekben a legkisebb elemek azezredmilliméter tartományába estek. A tudomány fej-lôdése következtében azonban ma már a millimétermilliomodrészénél is kisebb méretû objektumokat,azaz akár magukat az egyes atomokat is látni, sôtmanipulálni tudjuk. Mindez az anyagvizsgálati mód-szerek, elsôsorban az elektronmikroszkópok, illetvea különbözô pásztázó tûszondás mikroszkópok(pásztázó alagútmikroszkóp = scanning tunnelingmicroscope = STM; pásztázó atomerô mikroszkóp =atomic force microscope = AFM) hihetetlen fejlôdé-sének köszönhetô.

A szemünk láttára kibontakozó és széles területetfelölelô nanotechnológiában kulcsfontosságúak a szénnanocsövek. Az egyfalú szén nanocsô egy nagyon kisátmérôjû, belül üres egyenes henger, amelynek a „fa-lán” helyezkednek el a szénatomok. Elnevezésük on-nan ered, hogy a henger átmérôje a nanométeres tarto-mányba esik, vagyis ezek a csövek négy nagyságrend-del vékonyabbak az emberi hajszálnál (1. ábra ). Ez aztjelenti, hogy a kerületen, a csô tengelyére merôlegesenkörbehaladva legfeljebb néhányszor tíz szénatomottalálunk. Ugyanakkor hosszuk tipikusan több tíz- vagyszázezerszer nagyobb vastagságuknál.

Szén nanocsöveket elôször fullerének elôállításasorán figyeltek meg, 1991-ben. Az ívkisüléses elpáro-logtatáshoz használt grafitrúd felületén keletkezett

kormot vizsgálták elektronmikroszkóppal. A felvéte-leken koncentrikusan egymásba ágyazott csöveketlehetett látni, amelyek száma esetenként a tízet ismeghaladta. Az ilyen többfalú szén nanocsövek külsôátmérôje 2 és 20 nm közé esik, a szomszédos falaktávolsága ≈ 0,34 nm, vagyis annyi, amennyi a grafitpárhuzamos rétegei közötti van der Waals-távolság.

A kutatások a 90-es évek közepén lódultak meg,amikor lehetôvé vált egyfalú szén nanocsövek elôállítá-sa megfelelô katalizátorral adalékolt grafit lézeres el-párologtatásával. A szén nanocsövek elôállítása manap-ság leggyakrabban valamilyen széntartalmú gáz kataliti-kus elbontásával (chemical vapor deposition = CVD)történik. Ennél az eljárásnál a katalizátorrészecskéknekegy hordozóra való megfelelô ráhelyezésével a létrejö-

MINDENTUDÁS AZ ISKOLÁBAN 107

vô mintázat akár tervezhetô is, például egyenletes sûrû-

2. ábra. Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel egyfalú szénnanocsövekbôl álló kötegrôl (felül), illetve egy magányos egyfalúszén nanocsôrôl (alul). (Science 273 (1996) 483)

1,4 nm

3. ábra. Karosszék csô (a), cikk-cakk csô (b) és királis csô (c)

a) b) c)

ségû „erdô” hozható létre szén nanocsövekbôl. Elôállí-tottak már centiméteres hosszúságú nanocsövekbôl ál-ló erdôt is, gyufaskatulya-méretben.

A körülményektôl függôen az egyfalú szén nano-csövek összeállhatnak van der Waals-erôk által ösz-szetartott kötegekké, de lehetnek izolált csövek is (2.ábra ). A csô vége lehet nyitott vagy zárt. Az utóbbiesetben a csövet lezáró „sapka” ötszögeket is tartal-maz. Egy hosszú csô tulajdonságait azonban a hen-ger palástján hatszögekbe rendezôdô szénatomokhatározzák meg. Az egyfalú szén nanocsövek nem-csak az átmérôjükben különböznek, hanem ezekneka hatszögeknek a henger falán való elhelyezkedésé-ben is. Annyiféle egyfalú szén nanocsô létezik,ahányféleképpen képzeletben(!) kivághatunk és hen-gerré hajthatunk egy téglalapalakú csíkot egy síkbelihatszöges rácsból (1. ábra ). Ezt a feltekerési- vagykiralitási vektorral szokás jellemezni, ami egy a felte-kerés után fedésbe kerülô szénatompárt összekötôvektor az eredeti hatszöges rácson. Bármely egyfalúszén nanocsô egyértelmûen megadható két egészszámmal, az (n, m ) kiralitási indexekkel, ami a kirali-tási vektornak a hatszöges rács két primitív vektoráravonatkozó komponense. Ha n = m, akkor bizonyosszén–szén kötések merôlegesek a csô hossztengelyé-re, ezek a karosszék csövek (3.a ábra ), ha valame-lyik index nulla, akkor bizonyos szén–szén kötésekpárhuzamosak a csô hossztengelyével, ezek a cikk-cakk csövek (3.b ábra ). Ezekben a speciális esetek-ben léteznek a csônek tükörsíkjai. Az általános eset-ben (n ≠ m ≠ 0) nincs tükörsík, ilyenkor királis csôrôlbeszélünk (3.c ábra ).

Az egyfalú szén nanocsövek tulajdonságai – a gör-bületi effektusok elhanyagolásával – jól közelíthetôka szabályos hatszöges szénrács, a grafén tulajdonsá-gaiból kiindulva. Ezt hívják zónahajtogatásos közelí-tésnek. Belátható például, hogy – az egészen kis át-mérôjû csövektôl eltekintve – ha (n−m )/3 egészszám, akkor a csô fémes, ellenkezô esetben szigetelô.

A 0,4–0,8 nm átmérôtartományban azonban a nagygörbület miatt már jelentôs eltérések adódnak a zóna-hajtogatásos módszer eredményeitôl.

A szén nanocsövek alkalmazása szempontjából azegyik legnagyobb problémaként azt szokás említeni,hogy az egyfalú szén nanocsövek célzott, szelektívelôállítása jelenleg még nem megoldott. Ez kétségtele-nül igaz, de hozzá kell tenni, hogy sok olyan alkalma-zás van, ahol a jól definiált kiralitás valójában nem isszempont, elegendô például a fémes, illetve szigetelôcsöveket utólag szétválasztani.

Mire jók a szén nanocsövek?

A szén nanocsövek vizsgálata sokat segíthet abban,hogy jobban megértsük az atomok viselkedésének akvantumfizika által vezérelt törvényszerûségeit. Alak-juknál és méretüknél fogva alkalmasak mezoszkopikusjelenségek, például a ballisztikus vezetés vizsgálatára.Továbbá olyan, az egydimenziós fémekben fellépô,korrelált elektronokra jellemzô „egzotikus” állapotoktanulmányozhatók bennük, mint a Luttinger-folyadékállapot. Ebben a cikkben azonban azt szeretnénk be-mutatni, hogy a szén nanocsövek különleges elektro-mos, mechanikai és kémiai tulajdonságai milyen alkal-mazási lehetôségekkel kecsegtetnek. Csokorba gyûjtöt-tünk néhány fontos, részben már létezô, részben mégcsak kísérleti stádiumban lévô alkalmazást.

A szén nanocsövek nagyon hegyes képzôdmények:hosszuk tipikusan több ezerszer nagyobb az átmérô-jüknél. Mindenki ismeri a „villámhárító effektust”.Nos, a szén nanocsövek végénél már viszonylag kisfeszültség hatására nagy elektromos térerôsség alakulki, ami könnyedén szakít ki elektronokat a nanocsô-bôl. Ezen elektronok segítségével azután sokféle esz-köz mûködtethetô, például egy lapos kijelzô, vagy

108 FIZIKAI SZEMLE 2007 / 3

egy hordozható röntgenkészülék. Míg a szén nano-

4. ábra. Szén nanocsô téremissziós elektronforrással mûködô hor-dozható röntgenspektrométer

5. ábra. Szupererôs szén nanocsô fonal szövése szén nanocsövek-bôl álló „szônyegbôl”. (Science 306 (2004) 1356)

200 mm

100 mm

50 mm

2 mm

csöves, hidegkatódos, hordozható röntgenspektromé-terek már megjelentek a piacon (4. ábra ), a laposképernyôkkel még csak a prototípusoknál tart a Sam-sung, illetve a Motorola cég. A szén nanocsô katódoslapos képernyô jellemzôje a nagy felbontású, éles képés a nagy fényerô. Elônye a plazmatévével szemben,hogy könnyû, kicsi a felvett teljesítmény, és a pixeleknem égnek be. Elônye az LCD-vel szemben a na-gyobb fényerô, hogy bármilyen látószögbôl jól látha-tó, a pixelek pedig nagyon gyorsan kapcsolhatók.

A szén nanocsövek mechanikai tulajdonságai iskülönlegesek. Szakítószilárdságuk példa nélküli, 75-ször nagyobb az acélénál, de még a régebbrôl ismertszénszálaknál is 10–15-ször erôsebbek. Ugyanakkorsûrûségük csak hatoda az acélénak. Mindez rendkívülkedvezô lehetôségeket teremt könnyû és nagyon erôsanyagok elôállítására. A szén nanocsövekkel erôsítettmûanyagok egy napon a könnyû és erôs kompozitokúj családját jelenthetik, amelyek különösen a gépko-csi- vagy repülôgépgyártásban válhatnak nélkülözhe-tetlenné. Luxusalkalmazásokban már ma is léteznek:a 2006-os Tour de France kerékpárverseny gyôztesepéldául olyan biciklit használt, amelynek a szénszálasvázát szén nanocsövekkel tovább erôsítették. A rend-kívül erôs váz mindössze 1 kg-ot nyomott.

Szén nanocsövekkel ígéretes eredményeket értek ela mesterséges izom kutatása terén is. Az alapjelenség ananocsô nyúlása, illetve rövidülése a rávitt elektromostöltés függvényében. Néhány voltnyi elektromos fe-szültség hatására az emberi izomnál sokkal nagyobbhúzófeszültség kifejtésére képesek. Ha ehhez hozzá-vesszük, hogy a piezokerámiákkal ellentétben nemtörékenyek, érthetô, miért kísérleteznek több helyen isa szén nanocsövek mechanikai mûködtetô szerkezet-ként, aktuátorként való alkalmazásával.

A szén nanocsöveket, bármilyen hihetetlen, szu-pererôs fonalakká lehet fonni polivinilalkohol segítsé-gével (5. ábra ). A néhány mikron átmérôjû szálakhossza akár 100 méter is lehet. Az ilyen erôs fonálbólszôtt ruhaanyagok mechanikailag ellenállóbbak lehet-nek bármely más ismert természetes vagy mestersé-ges anyagnál. Az anyagok szívósságát szokás azzal a

tömegegységre jutó energiával jellemezni, amit azanyag még szakadás vagy törés nélkül képes elnyelni.A szén nanocsô fonalakra 570 kJ/kg értéket mértek,ami húszszor nagyobb a golyóálló mellényekben je-lenleg használatos kevlárra, és háromszor nagyobb alegszívósabb természetes anyagra, a pókselyemrevonatkozó értéknél. Egy ilyen anyagból készült rend-kívül könnyû golyóálló mellény valóságos – a Gyûrûkurából ismert – „mithril lancing” lenne. Hogy a kardse maradjon ki, megemlítjük, hogy nemrégiben fényderült a szaracénok híres, damaszkuszi acélból ková-csolt kardjának titkára. Egy XVII. századi kard elekt-ronmikroszkópos vizsgálatából megállapították a ku-tatók, hogy – valószínûleg a speciális kezelés követ-keztében – a kard éle szén nanocsöveket (és szénszá-lakat) is tartalmazott, és nem lehetetlen, hogy ennekköszönhette bámulatos mechanikai tulajdonságait.

Említést érdemel egy egzotikus, talán soha meg nemvalósuló ötlet: az ûrlift. Ennek a lelke egy olyan kábellenne, amelynek egyik vége a Föld felszínén, valahol azEgyenlítôn lenne rögzítve (esetleg egy úszó tengeri szi-geten), a másik vége pedig, a hozzá kötött ellensúllyal,túllógna a körülbelül 36 ezer kilométeres geostacioná-rius magasságon. A centrifugális erô miatt kifeszülô ká-belen mozgó lift segítségével a jelenlegi rakétás tech-nikánál olcsóbban lehetne tárgyakat, illetve embereketaz ûrbe juttatni. Egy ûrlift elkészítése és üzemben tar-tása (ha egyáltalán lehetséges) manapság még horribilisösszegbe kerülne. Mindenesetre, a jelenleg ismertanyagok közül az ehhez szükséges mechanikai igény-bevételt egyedül a szén nanocsövek bírnák ki, egy ek-kora hosszúságú acélsodrony például a saját súlya alattelszakadna. Érdekességként megjegyezzük, hogy egyilyen ûrliftet Arthur C. Clarke már 1979-ben, a TheFountains of Paradise címû novellájában leírt, amely-ben a kábel egy speciális szénszál(!) volt.

A szén nanocsövek elektromos szempontból isérdekesek. Vannak közöttük fémes és félvezetô tulaj-donságúak is. Mindkét csoport nagyon fontos a jövô-beli nanoelektronikai alkalmazások szempontjából.Egyedi nanocsövekbôl már készítettek olyan áramkö-

B3

röket (tranzisztorokat, logikai kapukat), amelyek

6. ábra. 80 nm vastagságú, egyfalú szén nanocsövekbôl álló film,zafír hordozón. Az olvasható szöveg a film mögött van. (Science305 (2004) 1273)

10 cm

mindazt tudják, ami, mondjuk, egy számítógép mûkö-déséhez szükséges. Ne feledjük, egy nanocsô tran-zisztor több mint százszor kisebb a jelenlegi legkisebbszilícium alapú tranzisztornál.

A jó elektromos vezetôképesség együtt jár a jó hô-vezetô-képességgel. A szén nanocsövek – a fononoknagy szabad úthossza miatt – a legnagyobb hôvezetô-képességû anyagok közé tartoznak. Szobahômérsék-leten, a csô hossztengelye irányában 15-ször jobbanvezetik a hôt, mint a réz. Kísérletek szerint sokkaljobb hôkontaktust biztosítanak például egy pro-cesszor és hûtôbordája között, mint a jelenleg haszná-latos hôvezetô paszták.

Nemrégiben kiderült, hogy megfelelô eljárássalultravékony, hajlékony, átlátszó, ugyanakkor elektro-mosan vezetô film készíthetô egyfalú szén nanocsö-vekbôl. Ezek a filmek hordozóra is fölvihetôk, deönhordóak is lehetnek (6. ábra ). A fényt áteresztôvezetô anyagok az elektrooptikai alkalmazások szem-pontjából – egyebek között érintôképernyôként, illet-ve napelemekben – rendkívül fontosak. Erre a célrajelenleg a legelterjedtebb az ITO (indium-ón(tin)-oxid). Hasonló elektromos ellenállás esetén a hajlé-kony, átlátszó szén nanocsô film fényáteresztô képes-sége a látható tartományban összemérhetô a törékenyITO-éval, a 2–5 µm infravörös tartományban pediglényegesen jobb nála.

Egyelôre kísérleti stádiumban vannak szén nano-csövekbôl álló olyan membránok, amelyek – a nano-méteres átmérôjû csövekben történô áramlások tulaj-donságai miatt – alkalmasak különbözô molekulákhatékony szétválasztására. A szén nanocsövek folya-dékáteresztô képessége a mérések szerint több tíz-ezerszer nagyobb, mint ami a klasszikus egyenletek

alapján várható. Remények szerint 5–10 éven belülpiacra kerülhetnek olyan szén nanocsöves membrán-szûrôk, amelyekkel minden eddiginél olcsóbban lehettengervízbôl ivóvizet elôállítani. Az ilyen membránoksegítségével – egyebek mellett – talán lehetséges lesza szén-dioxid kiszûrése s így a káros kibocsátásokmérséklése is. Elképzelhetô folyadékáramlások ki-bekapcsolása is a nm-es tartományban.

A nanocsövek belsejébe a nyitott végükön viszony-lag könnyen be lehet juttatni különbözô molekulákat.A nanoborsók például belsejükben fullerén molekulá-kat tartalmazó szén nanocsövek. A szén nanocsövektovábbi fontos tulajdonsága, hogy a külsejükre rálehet kötni különféle oldalcsoportokat. A funkcionali-zált endohedrális nanocsövek pedig esetleg olyannanokapszulaként szolgálhatnak majd, amelyek segít-ségével például, a külsô funkciós csoporttól függôen,gyógyszermolekulákat célzottan lehetne eljuttatni aszervezet megadott helyére.

A funkcionalizált nanocsövek ígéretes alkalmazásá-ra példaként említjük a daganatos sejtek szelektívelpusztítása terén amerikai kutatók által elért kezdetieredményeket. Egérkísérletek során sikerült a daga-natos sejtekhez megfelelôen funkcionalizált nanocsö-veket hozzákötniük. Ezután a látható fényhez közeliinfravörös tartományba esô fénnyel (0,7–1,1 µm) vilá-gították meg az állatot. Ezt a fényt a test szövetei jó-részt átengedik, a szén nanocsövek viszont nagymér-tékben elnyelik. Ezáltal a nanocsövek közvetlen kör-nyéke annyira fölmelegedett, hogy ettôl elpusztultaka daganatos sejtek. Természetesen a módszer tényle-ges használhatóságát még nagyon sok és körültekintôvizsgálat igazolhatja csak.

Ígéretes orvosi alkalmazással kecsegtetnek azok amostanában folyó vizsgálatok is, amelyek során olaszkutatók szén nanocsövek hálózatát tartalmazó hordo-zón tenyésztettek (a hippokampuszból származó)idegsejteket. A vizsgálatok azt mutatták, hogy a szénnanocsövek javítják a jelátvitelt a neuronok között. Akutatók célja olyan szén nanocsöveken alapuló imp-lantátumok, új generációs biocsipek kifejlesztése,amelyek segítségével a sérült neuronok újbóli össze-köttetése révén a központi idegrendszer bizonyossérülései helyrehozhatók. Megjegyezzük, hogy ebbenaz EU-projektben magyar kutatók is részt vesznek: ananocsövek minôsítése az MTA SZFKI-ban történik.

Végezetül megemlítjük, hogy a szén nanocsövekelméleti és kísérleti kutatása hazánkban is több egye-temen, illetve kutatóintézetben folyik, nemzetközilegis számottevô eredményekkel.

Az íráshoz kapcsolódó internetes oldalak elérhetôkpéldául a http://virag.elte.hu/kurti/science.html ol-dalról. A Fizikai Szemlében a szén nanocsövekrôl ed-dig megjelent cikkek: Kürti Jenô, A varázslatos szén-atom (47/9 (1997) 274), Biró László Péter, Nanovilág:a szén nanocsôtôl a kék lepkeszárnyig (53/11 (2003)385) és Márk Géza, Egy hullámcsomag kalandjai azalagútmikroszkópban (56/6 (2006) 190).

Kürti JenôELTE, Biológiai Fizika Tanszék

B4