 |
|
|
| |
Nanotorud
Jüri Krustok
Tallinna Tehnikaülikooli vanemteadur.
Füüsika-matemaatikakandidaat. |
|
| |
Lugu sellest, kuidas ühe mehe astrofüüsikahuvist on tänaseks
sündinud uus ning revolutsioonilisi muutusi lubav tehnoloogia.
Süsiniku "jalgpall"
Professor Harold W. Kroto Inglismaalt pidas ennast
tõepoolest spetsialistiks mikrolainete spektroskoopia alal.
Mikrolained, peale selle et aidata teil hommikuti köögis
kiirelt putru valmistada, võimaldavad uurida ka maailmaruumi
avarustes peituvate gaaside koostist. Kroto uuris põhiliselt
süsinikurikkaid suuri tähti ning nende atmosfääri keemilist
koostist ja tuli järeldusele, et selliste tähtede atmosfääris
tekivad omapärased vaid süsinikust ning lämmastikust koosnevad
pikad molekulid. Äkki on võimalik ka laboratooriumis neid
molekule valmistada? Aga kuidas? Kroto pöördus oma probleemiga
professor Richard E. Smalley poole USAst, kes uuris
peamiselt metallide klastrite moodustumist. Selleks oli
ta ehitanud võimsa lasersüsteemi, mis oli võimeline aurustama
praktiliselt igat materjali. Smalley töötas sageli koos
professor Robert F. Curliga, kelle soovitusel valmistatigi
ette eksperiment keeruliste süsinikühendite sünteesiks Smalley
seadmel.
1. septembril 1985. aastal saabuski Kroto USAsse ning alustati
katseid. Vaakumkambrisse asetati tükk süsinikku ning tugeva
laseriimpulsiga aurustati osa tema pinnakihist. Samal ajal
lasti vaakumkambrisse paisuda heeliumil, mis momentaanselt
jahutas tekkinud süsinikuaurud, misjärel teoreetiliselt
oleksid pidanud moodustuma erisuguse suurusega süsiniku
klastrid. Uurijad "kaalusidki" tekkinud tolmu ära, kuid
vastu ootusi ei olnud tekkinud erineva suurusega klastreid,
vaid "kaalud" näitasid millegipärast, et tekkinud tolmus
olid ülekaalus moodustised, mis koosnesid 60 süsiniku aatomist.
Eksperimendid kestsid ühtekokku 11 päeva ja selle aja jooksul
sai selgeks, et avastati midagi enneolematut - uut tüüpi
süsinikustruktuur. Juba enne seda oli teada, et süsinik
võib eksisteerida üsna mitmel kristallilisel kujul. Näiteks
on olemas tervelt 2 tüüpi grafiiti, 2 tüüpi teemanti ning
üsna hiljuti avastati veel 2 erinevat süsiniku vormi. Kuid
kõnesolevas eksperimendis leitud süsinikuvorm oli tõepoolest
eriline. Struktuuriuuringud näitasid, et tegemist oli täiuslikult
kerakujulise struktuuriga, mis meenutas suuresti üksikutest
nahatükkidest kokkuõmmeldud jalgpalli. Samasuguse struktuuriga
oli ka kuppel, mille ameerika arhitekt R. Buckminster
Fuller projekteeris Montreali maailmanäituseks 1967.
aastal. Innustatuna leitud sarnasusest nimetati avastatud
struktuur esialgu buckminsterfullereeniks 1,
kuid aegade jooksul on sellest kohmakast nimest saanud lihtsalt
fulleren, mis sõna otseses mõttes kõigutas oma eksistentsiga
kogu senist keemiat. Selle tunnustuseks anti kolmele uurijale
1996. aasta Nobeli keemiapreemia ning üle maailma läks lahti
tormiliseks fullerenide uurimiseks.
Süsiniku "torud"
Oli aasta 1991, kui jaapanlasest elektronmikroskoopia
spetsialist Sumio Iijima võttis kätte ja hakkas uurima,
mis õigupoolest tekib katoodile, kui fullerenide sünteesiks
kasutada laserimpulsi asemel kaarleeki kahe süsinikelektroodi
vahel. Elektronmikroskoop paljastas tõepoolest veidraid
moodustusi, mis mingil määral meenutasid torusid. Need pikergused
torukesed olid aga äärmiselt peenikesed, läbimõõduga vaid
mõni nanomeeter. Oli selge, et ka siin on tegemist millegi
ennenägematuga, sest neis ei olnud vähematki sarnasust jalgpalli
meenutavate fullerenidega. Üpris kiiresti suutsid Iijima
laboratooriumi töötajad leida mooduseid nn. nanotorude massilisemaks
sünteesiks ning pärast tulemuste avaldamist mainekas teadusajakirjas
"Nature" läks lahti tõeliseks madinaks füüsikute ja keemikute
ringkondades. Need mikroskoopilised torud osutusid igapidi
erilisteks struktuurideks, lubades ka erilisi rakendusi
tulevikuks. Kuigi esimesed torud olid mitmekihilised ning
meenutasid rohkem mitmete isolatsioonikihtidega veetoru,
suudeti juba 1993. aastal valmistada ka ühekihilisi süsinikust
nanotorusid.
Ämblikuniit inimestele
Miks need imetillukesed torud, millede nägemiseks ei
piisa alati isegi elektronmikroskoobi lahutusest, on suutnud
kogu maailma tehnolooge nii endast välja viia?
Juba esimesed katsed nanotorudega näitasid, et nendel on
kohutav tugevus, mis ületab terase tugevust umbes 10 korda.
Samas on nad ju õhkkerged. Kas ei meenuta see mitte ämblikuniiti?
Juba need kaks omadust on andnud toidet Arthur C. Clarke`
i 1978. aastal avaldatud fantastilise idee praktiliseks
realiseerimiseks. Mainekas kirjanik unistas tõsimeeli nn.
kosmilisest liftist, mille abil oleks olnud võimalik tehiskaaslasi
kosmosesse vinnata. Üks trossi ots koos vintsiga oleks tulnud
kinnitada geostatsionaarsel orbiidil oleva satelliidi külge
ning lift olekski valmis olnud. Geostatsionaarsel orbiidil
olev tehiskaaslane jääb Maa suhtes paigale, kuid kaugus
temani on maapinnalt umbes 35 800 kilomeetrit. Kõik senised
materjalid puruneksid oma enda raskuse tõttu kaugelt enne
sellisele kõrgusele jõudmist, kuid arvutuste kohaselt suudaks
nanotorudest valmistatud tross selle ülesande täita! Vaid
millimeetrise läbimõõduga nanotorudest niit suudaks tõepoolest
vastu pidada 20 tonni raskusele koormusele! Loomulikult
leidub niisugusele materjalile palju realistlikumaid kasutusalasid
kui mingis ebamäärases tulevikus tehiskaaslaste kosmosesse
vinnamine. Igal pool, kus vajatakse tugevaid ning kergeid
materjale, kuluvad nanotorud marjaks ära. Kuid enne tuleb
neid valmistada senisest palju suuremates kogustes.
Nanotorud on peale oma seninägematu tugevuse veel ka äärmiselt
elastsed. Et seda teada saada, tuli Põhja Carolina Ülikooli
teadlastel USA-st konstrueerida eriline seade, mille peamiseks
komponendiks oli aatomjõu mikroskoop. Selle kavala seadme
abil suutsid teadlased üksikuid nanotorusid korduvalt painutada,
kuid alati võtsid nad tagasi algse kuju ilma mingisugusegi
mõranemiseta. Sellest jutust võib küll jääda mulje, et midagi
keerulist siin polnud, kuid pidagem meeles: nanotorude läbimõõt
on vaid paar nanomeetrit!! Süsiniku fiibreid kasutatakse
juba ammu näiteks tennisereketite valmistamisel, kuid süsiniku
nanotorud ületavad kõiki fiibrite niigi häid omadusi veel
omakorda sadu kordi. Kõlab lausa uskumatult, kuid ometi
on see tõsi.
Tuleviku "söestunud" elektroonika
Võib-olla olulisem veel, kui nende torude tugevus ning
kergus, on nanotorude füüsikaliste omaduste lai skaala.
Juba esimesed teoreetilised arvutused näitasid, et nanotorud
võivad olla nii head elektrijuhid kui ka pooljuhid, sõltuvalt
sellest, millise diameetriga nad on valmistatud. Milline
ideaalne materjal elektroonikale! Kui need torud vaid nii
pisikesed poleks! Aga võib-olla on just nende väiksus tuleviku
elektroonikale oluline? Mikroskeemide valmistajad on juba
ammu leidnud, et transistoride mõõtmed mikroskeemil vähenevad
ajas eksponentsiaalselt nn. Moore'i seaduse kohaselt. Aastateks
2010-2015 peaks selle seaduse kohaselt transistori mõõtmed
olema juba aatomite suurusjärgus. Oleks raske kujutleda,
et selline mõõtmete vähenemine saaks võimalikuks senise
ränitehnoloogia baasil. Üks võimalus Moore'i seadust täita
olekski nanotorudest pooljuhtelementide kasutuselevõtt.
Ja esimene nanotorudest pooljuhtelement valmiski eelmise
aasta oktoobris mitme maa teadlaste ühistööna. Valminud
seade oli maailma väikseim pooljuhtdiood, mis koosnes kahest
erineva läbimõõduga ja seega ka erineva juhtivusega süsiniku
nanotorust. Asja teeb muidugi huvitavaks ka see, et kuigi
saadud seade töötas nagu pooljuhtdiood ikka, polnud tema
valmistamiseks kasutatud ühtegi pooljuhti. Niisuguste mõõtmetega
dioodi valmistamine polnud muidugi kerge ülesanne ning ilma
uusimaid mikroskoopia saavutusi kasutamata oleks tema valmistamine
jäänudki unistuseks. Õnneks oli teadlaste kasutuses nn.
skaneeriv tunnelmikroskoop, seade, mis on võimeline "nägema"
ka üksikuid aatomeid. Tunnelmikroskoobi mõõtepeaks on maailma
väikseim metallist püramiid, mille tipus on vaid üksik aatom.
Nanotorudest dioodi valmistajatel õnnestus selle üliterava
püramiidi tipp lähendada nanotoru otsale ning nanotoru "kleepus"
tugevalt tipu külge. Nii tugevalt, et teda oli võimalik
aluse küljest lahti tõmmata ning teiste nanotorudega kontakti
viia. Kuna tunnelmikroskoobi peast saab ka elektrivoolu
läbi lasta, siis suudetigi tekkinud dioodi karakteristikud
ära mõõta. Esimesest dioodist töötava integraalseadmeni
on veel muidugi pikk maa, kuid vähemalt paljud laboratooriumid
maailmas on kindlalt veendunud, et süsiniku nanotorud tõrjuvad
juba õige pea elektroonikast välja senini veel domineeriva
räni.
Kuid juba lähemas tulevikus planeeritakse nanotorude kasutamist
räniplaatide graveerimisel. Asdendades skaneeriva tunnelmikroskoobi
mõõtepea tugeva nanotoruga, saaksime täiusliku graveerimismasina,
mis suudaks paigutada räniplaadile pooljuhtelemente senisest
kümneid kord täpsemalt ja tihedamalt.
Fantaseerime edasi
Juba ainuüksi toodud tehnoloogilised rakendused lubaksid
nende realiseerimisel tõelist revolutsiooni tehnikas, kuid
uuringud käivad veel mitmete muudegi võimalike rakenduste
kallal. Üheks omapärasemaks oleks informatsiooni lugemine
pikkadest orgaanilistest molekulidest (näiteks DNA) koosneva
nanotorust mõõtepeaga skaneeriva tunnelmikroskoobi abil.
Juba praegu on teadus võimeline nendesse informatsiooni
kirjutama, kuid informatsiooni lugemine ilma pikkade molekulide
lõhkumiseta pole senini tavaliste meetoditega õnnestunud.
Nanotorude abil oleks aga ka see võimalik. Ütlematagi on
selge, et tulemuseks oleks seninägematu tihedusega mäluseade.
Informatsiooni võib aga kirjutada ka näiteks teemandi pinnale
ja ka siin saab seda lugeda nanotoruga skaneeriva tunnelmikroskoobi
abil. Andmekirjutamise tiheduseks oleks seejuures tagasihoidlike
arvestuste kohaselt 1015
baiti/cm2 ! Tuletame meelde,
et praegu kasutatavates parimates DVD seadmetes on see vaid
108 baiti/cm2.
Nanotorud peaksid olema ka atraktiivsed vesiniku ohutute
ladustajatena. Mitmes laboratooriumis maailmas uuritakse
käesoleval ajal nanotorusid just seda rakendust silmas pidades.
Kuid nagu grafiitki, taluvad ka nanotorud väga kõrgeid temperatuure
ning on seega ideaalseks materjaliks kosmosetööstuses. Samal
ajal võib aga peatselt oodata nanotorude baasil valmistatud
kiirgusvastuvõtjate, laserite, sensorite ja paljude muude
senini veel nimetamata seadmete sündi.
___________________
1 Vt. Tõnis Pehk. Molekulaarsed
kuullaagrid. "Horisont" nr. 1/2 1992, lk 35.
tagasi ...
|
|
|