NanocsövekEgy alig egy évtizede felfedezett molekula, a fullerén új fejezetet nyitott a kémiai történetében. A 60 szénatomból álló “focilabda-molekula” – a gyémánt és a grafit mellett – a szén harmadik kristályos módosulata. A focilabdából számos egyéb, különleges, a nanotartományban elhelyezkedő anyagot eredeztetnek: a 60 atomos alapszerkezet mára népes molekulacsaláddá nőtte ki magát. A vegyészek a molekulához további szénatomokat erősítve először ellipszis alakú “rögbilabdát”, majd egyre hosszabb csöveket állítottak elő. Az úgynevezett nanocsövek gyártása ma már megoldott: grafitból állítják elő azokat lézersugárral, úgy, hogy a vágás hatására leváló grafitsíkok csővé tekerednek. Ezenkívül egyéb módszerek is léteznek a csövecskék kialakítására, a Kémiai Kutatóközpontban például a Miskolci Műszaki Egyetemen (MME) elektrokémiai úton előállított nanocsövekkel kísérleteznek.
Miklósi József, a kutatóközpont tudományos segédmunkatársa az MME Fizikai Kémiai Tanszékén történő nanocső-gyártás ellenőrzésével foglalkozik. Megnézi milyen szerkezetek keletkeznek, ebből pedig arra próbál következtetni, milyen paraméterek változtatásával befolyásolható az előállított nanocsövek alakja.
A nanocsövekkel azért érdemes foglalkozni, mert számos, a gyakorlatban is hasznosítható erénnyel rendelkeznek: mechanikai tulajdonságaik jók, szilárdságuk kiváló, nem törnek, nem vághatók; a bennük levő üregek különböző anyagokkal tölthetők meg. A csövek szerkezetétől függően szupravezetők, szigetelők, vagy félvezetők is lehetnek.
Egy bizonyos mérettartomány alá süllyedve csaknem ismeretlen birodalomba csöppenhetünk; ha az anyagokat a milliméter tízezred részénél kisebb részekre vágjuk, akkor új, a kézzel fogható világban ismeretlen tulajdonságaik jelennek meg. A nanométeres nagyságú részecske tömegéhez viszonyított felülete óriási lehet, ez okozza a jellegzetességek megváltozását. Ilyen anyagokat a már ismert szerkezetű anyagokba keverve, új típusú keménységet, kopásállóságot, vagy éppen piszoktaszítást érhetünk el.
Az MTA Kémiai Kutatóközpont Kémiai Intézetének Felületkémiai és Korróziós Osztálya, valamint a Bay Zoltán Anyagtudományi és Technológiai Intézet kutatásaiban a nanoszerkezetű anyagok vizsgálata kiemelt jelentőségű; együttműködésükkel új anyagok kifejlesztésére nyílik lehetőség. Kálmán Erika, az utóbbi intézet igazgatónője arról számolt be a Figyelőnek, hogy munkatársaival eddig ismeretlen típusú önszerveződő anyagra bukkant, amely korrózióvédő bevonatok előállítására, esetleg új festékalapozó kifejlesztésére volna alkalmas. Az önszerveződés itt azt jelenti, hogy a molekulák kétdimenziós kristály-szerű rétegeket alakítanak ki a kezelendő felületen. Ilyen anyagok például az olajok, de más, egyszerűbb vegyületek is. Póczik Péter, a kutatóközpont tudományos segédmunkatársa elmondta, hogy vizsgálódásaik célja olyan környezetbarát önszerveződő anyagok felfedezése, amelyeket esetleg a ma használatos kromát-tartalmú festékalapozók helyett lehetne használni.
A kutatók által használt szerves vegyületek oldata a beléjük mártott kezelendő lemezeken jellegzetes szerkezetet alakít ki. A feltételezések szerint ilyenkor az oldott molekulák megkötődnek a felületen. A cél az, hogy ott erős kémiai kötést hozzanak létre, így ugyanis a kialakult szerveződés tartósan megmarad. A molekulák a felületi viszonyokból és a saját szerkezetükből eredő hajtóerőknek engedelmeskedve rendezett réteget alakítanak ki, amely természetesen idomul a felület hibáihoz. Mint minden kémiai folyamat, a rendeződés is függ az oldat pH-jától, a hőmérséklettől, vagy egyéb vegyületek jelenlététől, a vegyészek ezért ezen paraméterek változtatásával keresik az optimális kötődés körülményeit. Ennek eredményeképp azt vették észre, hogy bizonyos, nagyon kis mennyiségben előforduló szennyezőanyagok segíthetik, mások pedig gátolhatják a felületképződés folyamatát. Az oldatba mártott kezelendő felületeket mikroszkóp alatt vizsgálva megállapítható, mi is történt az oldatban. A kutatók célja, hogy magukat a molekulákat nézzék meg. Ez folyadék alatt nem könnyű feladat, mert a sokszor vizes oldatokban vizsgált fémfelületek (jórészt vas, vagy alumínium) a kísérletek néhány órás időtartama alatt korrodálódni kezdenek. Ez ugyan szabad szemmel észrevehetetlen változás, ám mikroszkópos szinten már zavarhatja a kívánt jelenség megfigyelését.
Az alagútmikroszkópAz atomok és molekulák láthatóvá tehetők; ehhez azonban speciális mikroszkópra van szükség. A pásztázó szondás, vagy alagútmikroszkóp képes arra, hogy a felületeket letapogatva képet alkosson az azt alkotó atomokról. Mindezt egy rendkívül hegyes letapogató tűvel éri el. Amikor ez a tű hozzáér a vizsgálandó anyaghoz – valójában nem érinti meg, hiszen az atomi szinten már nem lehet közvetlen fizikai kapcsolatról beszélni -, akkor kölcsönhatás lép fel a két felület között. Ennek erősségét a berendezés egy lézernyaláb segítségével digitalizálja, és ebből alkot képet. A pásztázó szondás mikroszkópok hamarosan a szenzorok új generációjának kifejlesztéséhez vezetnek. A tű ugyanis arra is alkalmas, hogy kémiai információt nyerjen. A molekuláris felületek találkozási pontján kialakuló erők ugyanis függenek a találkozó atomok vagy a kémiai vegyületcsoportok típusától. Így például meg lehet majd mondani, hogy éppen alkoholt, savas, vagy lúgos tulajdonságú vegyületet vizsgálnak-e. Bár a letapogató tű kereskedelmi forgalomban kapható, a kutatók jobb szeretik maguk előállítani azt. Kálmán Erika és csoportja saját eljárást dolgozott ki az atomi vastagságú tű “gyártására”, ezt a kutatóközpont által birtokolt szabadalom védi.
Amennyiben azonban sikerül a kísérlet, a kutatók elemzik a felület geometriáját. Póczik Péter elmondta: a felvételeken ugyan látják a felület szabályos struktúráját, ám azt még bizonyítaniuk kell, hogy az valóban önszerveződés eredménye. A difoszfonátokból álló vegyületeket Kálmán Erika a miskolci intézetben szeretné a gyakorlati felhasználás érdekében tökéletesíteni.