|
|
 |
Νανοαφρός άνθρακα
|
|
|
|
|
|
|
Μια νέα μορφή άνθρακα αποτελούμενη από συσσωματώματα ατόμων, ο νανοαφρός άνθρακα, συνετέθη πρόσφατα με τη μέθοδο της φωτοαποδόμησης άμορφου άνθρακα σε θάλαμο υποπίεσης αερίου αργού, με χρήση υψηλής επαναληψιμότητας (10.000 παλμοί ανά δευτερόλεπτο) και υψηλής ισχύος (42 βατ) λέιζερ. Η συνθετική τεχνική είναι μοναδική στον κόσμο και διαθέσιμη μόνο στις εγκαταστάσεις λέιζερ του Εθνικού Πανεπιστημίου της Αυστραλίας στην Καμπέρα.
Ο νανοαφρός άνθρακα έχει ορισμένες αξιοσημείωτες φυσικές ιδιότητες, όπως μια από τις μικρότερες μετρημένες πυκνότητες μάζας για στερεό (περίπου 2 mg/cm3, δηλαδή χίλιες φορές μικρότερη από αυτή του νερού), σχετικά μεγάλο εμβαδόν επιφανείας (της τάξεως των 300-400 m2/g, συγκρίσιμο με αυτό των ζεολίθων), και πολύ μεγάλη ειδική αντίσταση (1-10 GΩ Ή cm σε θερμοκρασία δωματίου, συγκρίσιμη με αυτή του διαμαντιού).
Εικόνες από υψηλής ανάλυσης ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκάλυψαν ότι ο νανοαφρός έχει σπογγώδη δομή, η οποία αποτελείται από συσσωματώματα άνθρακα με μέση διάμετρο 6-9 νανόμετρα που διασυνδέονται τυχαία σχηματίζοντας έναν αφρώδη ιστό. Πειράματα περίθλασης ηλεκτρονίων υποδεικνύουν μια περιοδική, επαναλήψιμη δομή, αποτελούμενη από σαγματοειδείς επιφάνειες γραφίτη εντός των μεμονωμένων σφαιροειδών συσσωματωμάτων άνθρακα. Ο νανοαφρός έχει ημιαγώγιμη συμπεριφορά (με ένα μικρό θεμελιώδες οπτικό χάσμα της τάξεως των 0,5-0,7 eV, συγκρίσιμο με αυτό του γερμανίου).
Η πιο εντυπωσιακή ιδιότητα του νανοαφρού είναι η ασυνήθιστη μαγνητική συμπεριφορά του, η οποία ανακαλύφθηκε από την ομάδα Υπεραγώγιμων και Μαγνητικών Υλικών του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας, στην Κρήτη (δρ. Ι. Γιαπιντζάκης, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πανεπιστημίου Κρήτης και Ερευνητής στο ΙΗΔΛ-ΙΤΕ, και δρ. Ι. Ανδρουλάκης, συνεργαζόμενος ερευνητής στο ΙΗΔΛ-ΙΤΕ). Σε αντίθεση με άλλες μορφές άνθρακα που είναι διαμαγνητικές, δηλαδή απωθούνται και από τους δύο πόλους ενός μαγνήτη, ο νανοαφρός άνθρακα αμέσως μετά την παραγωγή του έλκεται από μόνιμο μαγνήτη σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό δείχνει την ύπαρξη ισχυρής μόνιμης μαγνητικής ροπής. Αρκετά από τα άτομα άνθρακα κάθε συσσωματώματος διαθέτουν «κάτι» σαν έναν μικροσκοπικό ραβδόμορφο μαγνήτη. Αυτός ο μικροσκοπικός μαγνήτης λέγεται σπιν (κβαντική ιδιότητα των ηλεκτρονίων), και η ύπαρξη μόνιμης μαγνητικής ροπής σημαίνει ότι τα σπιν που αντιστοιχούν στα συγκεκριμένα άτομα άνθρακα προσανατολίζονται στην ίδια κατεύθυνση για να δώσουν μια ισχυρή μαγνήτιση.
Η αρχική ισχυρή μαγνήτιση που παρατηρείται σε θερμοκρασία δωματίου εξαφανίζεται μέσα σε λίγες ώρες από την παραγωγή του νανοαφρού, και το υλικό φτάνει σε κατάσταση ισορροπίας μετά από μια περίοδο μερικών εβδομάδων. Έπειτα, ο νανοαφρός παραμένει δομικά και μαγνητικά σταθερός, και η ισχυρή μαγνήτιση παρατηρείται σε χαμηλές θερμοκρασίες (-170ΑC).
Η ισχυρή θετική μαγνήτιση που επιδεικνύει αυτή η καινοτόμος νανοδομή φαίνεται να έχει αρκετά από τα χαρακτηριστικά ενός σιδηρομαγνήτη ―σαν αυτούς που συνήθως έχουμε στις πόρτες των ψυγείων μας. Αυτή είναι η πρώτη παρατήρηση σιδηρομαγνητικής συμπεριφοράς σε νανοδομές αποτελούμενες αποκλειστικά από άτομα άνθρακα. Η ύπαρξη μαγνητικών προσμίξεων (όπως σίδηρος, κοβάλτιο και νικέλιο) αποτιμήθηκε προσεκτικά από τους ερευνητές του ΙΤΕ και του Εθνικού Πανεπιστημίου της Αυστραλίας και αποκλείστηκε η συνεισφορά τους στις μετρούμενες ιδιότητες. Η προέλευση αυτού του αναπάντεχου μαγνητισμού μελετήθηκε θεωρητικά από την ομάδα του δρ. D. Tomanek, καθηγητή φυσικής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, με διερεύνηση της γεωμετρίας των σαγματοειδών γραφιτικών επιφανειών που πιστεύεται πως υπάρχουν στο νανοαφρό. Το συμπέρασμα των παραπάνω πειραματικών και θεωρητικών μελετών είναι ότι η παρατηρούμενη καινοφανής μαγνητική συμπεριφορά αποτελεί ενδογενή ιδιότητα του νανοαφρού άνθρακα που μπορεί να αποδοθεί στην περίπλοκη νανοδομή του. Οι ερευνητές προτείνουν ότι ασύζευκτα εντοπισμένα σπιν (δηλαδή σπιν που δεν συμμετέχουν στο σχηματισμό χημικού δεσμού) υπάρχουν εξαιτίας τοπολογικών ατελειών που συνδέονται με την καμπυλότητα της επιφάνειας. Αυτά τα σπιν σταθεροποιούνται εξαιτίας της προστασίας που προσφέρει η δομή των συνεστραμμένων σαγματοειδών επιφανειών. Τέτοιου είδους στερική προστασία είναι γνωστή από το 1900, όταν ο Gomberg συνέθεσε το τριφαινυλομεθύλιο και σταθεροποίησε ρίζες άνθρακα ―ουδέτερα μόρια που περιέχουν ένα ή περισσότερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Η εργασία αυτή είναι η πρώτη όπου τρισθενείς ρίζες άνθρακα ενσωματωμένες σε σαγματοειδείς επιφάνειες αναγνωρίστηκαν σε ένα ανόθευτο αποτελούμενο πλήρως από άνθρακα υλικό παρασκευασμένο με τη μέθοδο της φωτοαποδόμησης με λέιζερ.
Ο συνδυασμός των ημιαγώγιμων ιδιοτήτων με μια υψηλή θερμοκρασία εμφάνισης σιδηρομαγνητικών φαινομένων κάνουν αυτό το υλικό μοναδικό στο είδος του, δίνοντας τη δυνατότητα χρήσης του στην τεχνολογία των σπιν-ηλεκτρονικών (spintronics). Αλλες πιθανές εφαρμογές θα μπορούσε να βρει και στη βιοϊατρική. Για παράδειγμα, η έγχυσή του μέσω ειδικών υγρών σκευασμάτων στο αίμα θα αύξανε κατά πολύ το παρατηρούμενο σήμα στις εικόνες του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (MRI), όπως επίσης η εμφύτευσή του σε όγκους θα έδινε τη δυνατότητα να μετατραπούν τα ραδιοκύματα σε τοπικές πηγές καταστρεπτικής θερμότητας. Το προφανές πλεονέκτημα του νανοαφρού, εφόσον αποτελείται μόνο από άνθρακα, είναι η συμβατότητά του με τους ανθρώπινους ιστούς.
|
|
|
|
|
|
