Νανοσωλήνες από άνθρακα: επαναστατικές αλλαγές στην επιστήμη υλικών

Των Δημήτρη Παυλόπουλου*

& Χρήστου Σκοπετέα**

ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΠΟ ΑΝΘΡΑΚΑ: Οι νανοσωλήνες είναι φύλλα από άτομα άνθρακα που διπλώνουν σε μια δομή σαν κλωβός. Οι ασυνήθιστες ιδιότητες τους, υπόσχονται να συμβούν επαναστατικές αλλαγές στα ηλεκτρονικά, την χημεία, την επιστήμη των υλικών και στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Τα άτομα του άνθρακα μπορούν να σχηματίζουν διαφόρων ειδών πλέγματα (αλλοτροπικές μορφές) όπως ο γραφίτης, το διαμάντι, ταφουλερένια (ή φουλουρένια) και οι νανοσωλήνες.

Επιστήμονες στην Γαλλία ανέπτυξαν μια τεχνική δημιουργίας ινών από τα νέα και θαυμαστά υλικά της σύγχρονης χημείας, τους νανοσωλήνες από άνθρακα. Τα υλικά αυτά έχουν διαστάσεις μόλις λίγα δισεκατομμυριοστά του μέτρου, έχουν δε ασυνήθιστες ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες. Αυτά τα υλικά θα βρούν εφαρμογές σε hi-tech κατασκευές, από λεπτές ηλεκτρικές συσκευές έως υπερ-ανθεκτικές επικαλύψεις.

Αλλά οι σωλήνες είναι δύσκολο να παραχθούν σε μεγάλους όγκους και τέτοια οργάνωση που να επιτρέπουν σε επιστήμονες να εκμεταλλευτούν τις αναμφισβήτητες ιδιότητες τους. Επιστήμονες από το κέντρο ερευνών PaulPascal στο University του Bordeaux, κατάφεραν να ενώσουν πλέγματα από άτομα άνθρακα για να κατασκευάσουν νήματα μεγάλου μήκους. Χρησιμοποίησαν μια σχετικά απλή τεχνική, που ανοίγει το δρόμο για την εμπορική αξιοποίηση των πολλά υποσχόμενων νανοσωλήνων.

Οι νανοσωλήνες από άνθρακα είναι βασικά φύλλα από γραφίτη, δηλαδή μια άλλη αλλοτροπική μορφή του άνθρακα. Τη μορφή αυτήανακάλυψαν επιστήμονες των εργαστηρίων NEC, στην Tsukuba το 1991, όταν χρησιμοποίησαν υψηλής ανάλυσης ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να παρατηρήσουν νανοσωλήνες από άνθρακα που η δομή τους μοιάζει με αυτή του κοινού γραφίτη. Οι νανοσωλήνες σχηματίζουν σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 1nm και μανδύα από αλλεπάλληλα στρώματα εξαγωνικών δικτύων άνθρακα.

Οι ιδιότητες τους μηχανικές και ηλεκτρικές είναι σπουδαίες και οφείλονται στη σωληνοειδή τους δομή. Αυτές είναι μεγάλη αντοχή, χαμηλό βάρος, σταθερότητα, ευκαμψία, καλή θερμική αγωγιμότητα, το μεγάλο εμβαδόν επιφανείας και πολλές άλλες ηλεκτρικές ιδιότητες. Σημειωτέον, πως ερευνητές από το Institute Of Chemical Physics στην Μόσχα, ανεξαρτήτως της NEC, ανακάλυψαν τους νανοσωλήνες από άνθρακα και δέσμες νανοσωλήνων την ίδια περίοδο, αλλά αυτοί είχαν ένα μικρότερο λόγο μήκους προς διάμετρο.

Τα νήματα που δημιουργούνται μετη νέα μέθοδο έχουν πάχος 50 -100μικρών (εκατομμυριοστά του μέτρου) και διαθέτουν μεγάλη ευλυγισία και μοναδικήαντοχή (σχ. 4.2). Οι νανοσωλήνες δημιουργούνται όταν μία ηλεκτρική εκκένωσηεφαρμόζεται σε μία ακίδα γραφίτη που βρίσκεται κλεισμένη σε ένα δοχείο με κάποιο αέριο, όπως το ήλιο και το δρογόνο. Μέσα στο πλάσμα (ιονισμένο αέριο) που δημιουργείται τα άτομα του άνθρακα συμπυκνώνονται και σχηματίζουν κλειστά πλέγματα με μονά ή διπλά τοιχώματα.

Μέχρι σήμερα ήταν ιδιαίτερα δύσκολη η οργάνωση στο χώρο των ατόμων αυτών σε μεγάλες δομές, ώστε να είναι δυνατή η εμπορική αξιοποίηση αυτού του υλικού, που διαθέτει μοναδικές μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες. Προκειμένου να υφάνουν νήματα μεγάλου μήκους, οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μπορντό διοχέτευσαν ένα διάλυμα μικρών πλεγμάτων σε ένα σωλήνα μέσα στον οποίο έρεε ένα υγρό.Το πολυμερές υλικό που βρισκόταν μέσα στο σωλήνα προκάλεσε τη συμπύκνωση των πλεγμάτων σε ένα μακρύ νήμα.

Σχήμα 4.2 Νανοσωλήνες Άνθρακα

ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΝΤΑΣ  ΤΟΥΣ ΜΙΚΡΟΤΕΡΟΥΣ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ

Επιστήμονες του Πανεπιστημίου του HongHong και της εταιρείας NEC στηνΙαπωνία,ανεξάρτηταημιααπότηνάλλη,δημιούργησανκαθώςλένετουςστενώτερους,σταθερούς, νανοσωλήνες από άτομα του άνθρακα με διάμετρο μόλις 0.4 nm (σχ. 4.3).

Σχήμα4.3 Ανάπτυξη Νανοσωλήνων Άνθρακα

Οι νανοσωλήνες αυτοί έχουν προκαλέσει τρομερή έξαψη για τις πολύ ενδιαφέρουσες ηλεκτρικές και μηχανικές τους ιδιότητες. Συγκεκριμμένα είναι χημικάαδρανείς και πολύ ανθεκτικοί. Οι επιστήμονες πιστεύουν πως οι δομές αυτές μπορούννα σφυρηλατηθούν σε λεπτά σύρματα για δημιουργία άκρως μικρών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, micro-computers και άκρως λεπτές τηλεοράσεις.

Ανάμεσα στις πολυάριθμες πιθανές εφαρμογές των δομών αυτών, οι ερευνητές ξεχωρίζουν τη δημιουργία δεξαμενών για την αποθήκευση υδρογόνου. Το αέριο αυτό, που στο μέλλον θα χρησιμεύει όλο πιο συχνά ως καύσιμο, καταλαμβάνειμεγάλο όγκο και η συμπίεσή του είναι πρακτικά δύσκολη και ακριβή. Τα μόρια του υδρογόνου μπορούν να απορροφηθούν μέσα στους νανοσωλήνες, και έτσι να συμπυκνωθούν σε μεγάλο βαθμό.

ΜΕΡΙΚΕΣ ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΩΝ ΕΙΝΑΙ:

• Τρανζίστορ και δίοδοι.
• Πεδίο εκπομπής για επίπεδες οθόνες.
• Ενίσχυση σήματος κινητών τηλεφώνων.
• Αποθήκευση ιόντων για συσσωρευτές.
• Ενίσχυση υλικών.
• Χρήση ως πολυμερών πρόσθετων ουσιών.

Επιστήμονες της NEC και της MIT ανακάλυψαν πρόσφατα ανεξάρτητα οένας από τον άλλο μια ιδιότητα. Αν ενωθούν μια σειρά εξαγώνων κατά τον επιμήκη άξονα του νανοσωλήνα σε ευθεία διάταξη, τότε ο σωλήνας θα συμπεριφέρεται σαν μέταλλο και θα άγει ηλεκτρισμό. Αν όμως μια σειρά εξαγώνων τοποθετηθεί σε σχηματισμό έλικας, ο σωλήνας λειτουργεί σαν ημιαγωγός. Επίσης σχεδιάζεται η αντικατάσταση του πυριτίου από νανοσωλήνες στην νανοηλεκτρονική ή σαν διακόπτης γιατί μπορεί κάτω από ορισμένη δομή να συμπεριφέρεται σαν ημιαγωγός.

1.2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΑ ΟΡΙΑ

Οι ερευνητές ανακοίνωσαν πως η διάμετρος τους είναι μικρότερη από τονήμα του DNA, φέρνοντας έτσι την τεχνολογία κατασκευής τους στα θεωρητικά τηςόρια. Οι νανοσωλήνες της NEC ήταν οι μικρότεροι, ενώ οι επιστήμονες του Hong Kong ακολούθησαν διαφορετικό δρόμο. Συγκεκριμμένα χρησιμοποίησαν τα αυλάκια στην επιφάνεια του ζεόλιθου σαν καλούπι μέσα στο οποίο δημιουργήθηκαν οι νανοσωλήνες, που έχουν περίπου τη διάμετρο ενός ατόμου υδρογόνου. Σύμφωνα μετους ερευνητές, οι διαστάσεις αυτές δεν είναι δυνατόν να ξεπεραστούν, καθώς η μείωσή τους θα προκαλούς εαύξηση της ενέργειας του συστήματος και θα το καθιστούσε ιδιαίτερα ασταθές.

Οι εν λόγω δομές σχηματίζονται όταν εφαρμόζεται υψηλή τάση σε ράβδουςαπό γραφίτη που έχουν τοποθετηθεί σε ένα θάλαμο που περιέχει ήλιο ή υδρογόνο. Το πλάσμα (ιονισμένο αέριο υψηλής θερμοκρασίας) που δημιουργείται οδηγεί στο σχηματισμό νέων δεσμών ανάμεσα στα άτομα του άνθρακα.

Τα νανο-υλικά αυτά, πρόκειται να αποτελέσουν τα πλέον επαναστατικά υλικάτου 21^ο αιώνα. Οι σωλήνες από άνθρακα είναι μακρείς λεπτοί κύλινδροι από άνθρακαπου σχηματίζονται τυλίγοντας μονο-ατομική στρώση γραφίτη σε ένα κύλινδρο. Είναιεξαιρετικώς μικρά σε μέγεθος και μια δέσμη από 1.000.000 νανοσωλήνες άνθρακα είναι σαν μια τρίχα. Η ανακάλυψη τους το 1991, πυροδότησε μεγάλες και ταχύτατες έρευνεςσε όλο τον κόσμο για πρακτικές εφαρμογές.

Αυτοί οι νανοσωλήνες δεν υπάρχουν στη φύση και σχηματίζονται κάτω από ειδικές συνθήκες. Ενώ με τις παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής είναι συνήθως μεγάλοι σε μέγεθος, με τις νέες πρωτοποριακές τεχνικές οι επιστήμονες έφτασαν στοθεωρητικό όριο του μεγέθους ενός ατόμου.

Το 1985, επιστήμονες από Μ. Βρετανία και ΗΠΑ ανακάλυψαν πως όταν εξαερώνεται ο γραφίτης υπό την επίδραση μιας δέσμης laser μέσα σε ρεύμα ηλίου δημιουργούνται μόρια, αρκετά σταθερά. Τα μόρια αυτά αποτελούνται από έναν μεγάλο αριθμό(32-90) ατόμων άνθρακα. Το σταθερότερο ήταν τοC₆₀, και οι επιστήμονες που το ανακάλυψαν θεώρησαν πως είχε τη μορφή μιας μπάλας ποδοσφαίρου.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΟΥ

Τα μέσα της δεκαετίας του ’80 οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να κάνουν μια αξιόπιστη δομική ανάλυσης για τα φουλερένια, γνώριζαν πολύ λίγα γιααυτά. Αλλά το 1990, ομάδα Αμερικανών αστροφυσικών ειδικών στην αστροφυσική σκόνη, μπόρεσαν να  κατασκευάσουν τα φουλερένια μαζικά με μια μέθοδο που χρησιμοποιούσαν στην παραγωγή της κοσμικής σκόνης.  Συγκεκριμένα, διέλυσαν την αιθάλη (από εξαέρωση άνθρακα) μέσα σε  βενζόλιο και  τελικά  κατόρθωσαν  ναπαράγουν ένα κιτρινωπό ή κοκκινωπό υγρό που αποτελούνταν από μόρια C₆₀ (75%) καιC₇₀(25%).

2.1 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΟΥ 

Λόγω της πολύ μεγάλης αντοχής τους έχει προταθεί να χρησιμοποιηθούν σανλιπαντικά, στη Φυσική, στη Χημεία, στη Βιολογία και στην Ιατρική.Συγκεκριμένανα βάλουν στην κοιλότητα του διάφορα μόρια και να οδηγήσουν το φουλερένιο μαζίμε το ξένο μόριο στη θέση που επιθυμούν. Για παράδειγμα, σε μια επιθυμητή θέση πρωτεΐνης να μεταφέρουμε ένα οργανικό μόριο, οπότε θα φτιάξουμε  ένατεχνητό ιό με επιθυμητές ιδιότητες.

Στη Φυσική και στον τομέα της νανοηλεκτρονικής, θα μπορούσαμε να φτιάξουμε κβαντικές κουκκίδες-μικροκρύσταλλοι ή άλλοι σχηματισμοί σε κυκλώματα-από φουλερένια. Τις κουκκίδες αυτές μπορούμε να τις χρησιμοποιήσουμε σε επεξεργαστές υπερυπολογιστών ή σε στοιχεία ελέγχου και σε επικοινωνίες οπτικών ινών. Επίσης στην υπεραγωγιμότητα, πχ ένας φουλερίτης με πρόσμιξη καλίου ή ρουβιδίου έγινε υπεραγωγός σε 28 -29Κ.

ΠΟΛΥΜΕΡΕΣ ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΟΥ ΣΕ ΡΟΛΟ ΜΑΓΝΗΤΗ

Φυσικοί επιστήμονες έχουν εμφανίσει για πρώτη φορά ότι ο καθαρός άνθρακας μπορεί να είναι μαγνητικός σε θερμοκρασία δωματίου. Επιστήμονες τουΦυσικο – Τεχνικού Ιδρύματος Ioffe στην Αγία Πετρούπολη ανακάλυψαν τυχαία την μαγνητική συμπεριφορά, ψάχνοντας για τα σημάδια της υπεραγωγιμότητας σε πολυμερισμένο άνθρακα – 60 (C₆₀). Η ανακάλυψη θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει σε μαγνήτες χωρις μέταλλο, που είναι φτηνότεροι και ελαφρύτεροι από τα μεταλλικά αντίστοιχά τους.

Οι μαγνητικές ιδιότητες των ενώσεων του C₆₀ ενισχυμένων με ηλεκτρόνια, έχουν κινήσει την περιέργεια στους φυσικούς, δεδομένου ότι αυτά αναφέρθηκαν αρχικά το 1991. Ο σιδηρομαγνητισμός έχει παρατηρηθεί προηγουμένως σε μια χούφτα άλλων οργανικών υλικών, αλλά μόνο στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Πράγματι, η υψηλότερη θερμοκρασία που έχει αναφερθεί προηγουμένως για έναν Οργανικό μαγνήτη είναι65⁰ Kelvin, που είναι μια ένωση βασισμένη στο θείο κάτω από μια πίεση 16 kilobar.

3. ΝΕΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ  ΣΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ

Tρείς ερευνητές με επικεφαλής έναν Έλληνα, τον Φαίδωνα Αβούρη της ΙΒΜ, στο Σαν Χοσέ της Καλιφόρνιας, ανέπτυξαν μια νέα επαναστατική τεχνολογία τρανζίστορς. Η τεχνική αυτή μπορεί να κάνει δυνατή την παραγωγή μιας νέας τάξης, μικρότερων, ταχύτερων και μικρότερης ενεργειακής κατανάλωσης μικροτσίπς από τα ήδη υπάρχοντα μικροτσίπς πυριτίου.

Οι επιστήμονες της ΙΒΜ δημιούργησαν την πρώτη στον κόσμο διάταξη τρανζίστορς από νανοσωλήνες άνθρακα. Πρόκειται για μικροσκοπικούς κυλινδρίσκους από άτομα άνθρακα των οποίων το μήκος είναι μόλις 10 άτομα άνθρακα και είναι 500 φορές μικρότεροι από τα σημερινά τρανζίστορς. Πιστεύεται πως η αξία της ανακάλυψης, είναι παρόμοια με αυτή του τρανζίστορς, στη δεκαετίατου1940, γιατί μπορεί να δώσει ασσύληπτα μικρούς επεξεργαστές.

Μέχρι τώρα οι νανοσωλήνες έπρεπε να τοποθετηθούν ένας προς έναν ή τυχαίαγια να αποτελέσουν την επιθυμητή διάταξη από τρανζίστορς, διαδικασία που δενπροσφέρεται για μαζική παραγωγή. Η καινοτομία έγκειται σε μια νέα επεξεργασίαώστε να σχηματιστούν μαζικά πολύ μεγάλοι αριθμοί νανοσωλήνων – τρανζίστορς. Πρέπει να σημειωθεί ότι τα τρανζίστορς είναι οι θεμέλιοι λίθοι όλων των ηλεκτρονικών συστημάτων – δρούν σαν γέφυρες που μεταφέρουν δεδομένα από το ένα μέρος του κυκλώματος στο άλλο.

Ο νόμος του Moore που επιβεβαιώνεται μέχρι σήμερα, λέει ότι ο αριθμός τωντρανζίστορς που χωράει σε ένα τσιπ διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες περίπου. Πολλοί επιστήμονες όμως εκτιμούν ότι η σημερινή τεχνολογία βασισμένη σε μικροτσίπ πυριτίου θα φτάσει τα φυσικά όρια της σμίκρυνσής της τα επόμενα 10-20 χρόνια. Το επίτευγμα λοιπόν της ΙΒΜ θεωρείται σημαντικό για το μέλλον. Η ομάδα του τμήματος ερευνών νανοτεχνολογίας της ΙΒΜ επισημαίνει ότι οι έρευνες της έδειξαν πως οι νανοσωλήνες άνθρακα ανταγωνίζονται σε επιδόσεις τα μικροτσίπς πυριτίου. Δεδομένου ότι η κλίμακά τους είναι πολύ μικρότερη, είναι υποψήφιοι για τη νανοηλεκτρονική τεχνολογία του μέλλοντος.

Οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα μπορεί να είναι είτεαυτές των μετάλλων ή των ημιαγωγών ανάλογα με το μέγεθος και το σχήμα τους. Τοπρόβλημα που είχαν να αντιμετωπίσουν οι επιστήμονες ήταν ότι όλες οι μέθοδοι παραγωγής κατέληγαν σε ένα μίγμα μεταλλικών και ημιαγωγών νανοσωλήνων κολλημένων μαζί σε σχήμα σχοινιού ή δεσμίδας. Αυτό ελαττώνει την χρησιμότητά τους γιατί μόνο οι ημιαγωγοί νανοσωλήνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ωςτρανζίστορ, ενώ οι κολλημένοι με αυτούς μεταλλικοί νανοσωλήνες υπερτροφοδοτούν με ισχύ τους ημιαγωγούς νανοσωλήνες.

Εκτός από τον διαχωρισμό των δύο τύπων ένα προς ένα δεν υπήρχε άλληπρακτική μέθοδος διαχωρισμού τους. Η ομάδα της ΙΒΜ ξεπέρασε τη δυσκολία αυτήμε μια νέα τεχνική κατά την οποία οι μεταλλικοί νανοσωλήνες καταστρέφονται με τη διαβίβαση ενός ισχυρού ηλεκτρικού παλμού ο οποίος αφήνει ανέπαφους τους ημιαγωγούς νανοσωλήνες.

Η ΙΒΜ κατασκεύασε επίσης τρανζίστορ πεδίου (FET) όπου οι νανοσωλήνες είναι οι δίαυλοι του τρανζίστορ . Με λίγα λόγια η μέθοδός τους έχει ως εξής: Το πλέγμα όλων των νανοσωλήνων μεταλλικών και ημιαγωγών αποτίθεται πάνω σε υπόστρωμα οξειδίου τουπυριτίου. Μια μεταλλική μάσκα τοποθετείται πάνω από τους νανοσωλήνες και παίζει ρόλο ηλεκτροδίου. Χρησιμοποιώντας ως δεύτερο ηλεκτρόδιο το υπόστρωμα πυριτίου οι επιστήμονες θέτουν σε μη αγώγιμη κατάστασητους ημιαγωγούς νανοσωλήνες. Μετά με μια κατάληλη τάση που εφαρμόζεται στο υπόστρωμα επιτυγχάνεται η καταστροφή μόνο των μεταλλικών αφού μόνον αυτοί είναι αγώγιμοι και διαρρέονται από ρεύμα.

3.1 ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΟΙ ΝΕΟΙ ΥΠΕΡΑΓΩΓΟΙ

Οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορεί τώρα να προσθέσουν την υπεραγωγιμότητα, στο ρεπερτόριο των νέων ηλεκτρονικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους. Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Χογκ Κογκ, έχουν διαπιστώσει ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα δείχνουν υπεραγωγική συμπεριφορά κάτω από 20⁰ Kelvin. Έτσι επιβεβαιώνεται ότι το ρεύμα χωρίς αντίσταση μπορεί να διατρέξει τον καθαρό άνθρακα.

Επιπλέον, ανίχνευσαν την υπεραγωγιμότητα με μονό- περιτοιχισμένο νανοσωλήνα άνθρακα – που στρέφονται πάνω σε φύλλα του γραφίτη – ακριβώς 0,4nm σε διάμετρο. Πιστεύουν ότι αυτό το γεγονός, είναι η πρώτη φορά που η υπεραγωγιμότητα, έχει φανεί σε μεμονωμένο νανοσωλήνα άνθρακα. Η υπεραγωγιμότητα είχε φανεί στον νανοσωλήνα με άνθρακα πριν, αλλά οφειλόταν στη”επίδραση εγγύτητας”. Αυτό είναι ένα εξωτικό φαινόμενο στο οποίο δύο υπεραγωγοί μπορούν να προκαλέσουν ρεύμα χωρίς αντίσταση, σε ορισμένα υλικά που στριμώχνονται μεταξύ τους.

Οι νανοσωλήνες παρουσίασαν τρία αποκαλυπτικά σημάδια της υπεραγωγιμότητας: την επίδραση Meissner, ένα υπεραγωγικό χάσμα και το υπερ-ρεύμα (supercurrent). Στην επίδραση Meissner, ένας υπεραγωγός που τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο αποβάλλει τη μαγνητική ροή από το εσωτερικό του. Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα μαγνητόμετρο SQUID, για να μετρήσει τη μαγνητική ευαισθησία του νανοσωλήνα από άνθρακα, ο οποίος συσχετίζεται άμεσα με αυτήν την εσωτερική ροή.

Οι νανοσωλήνες αφού τοποθετήθηκαν σε ένα μαγνητικό πεδίο, ψύχθηκαν αρχικά σε 1,8⁰ Kelvin, και η θερμοκρασία αυξήθηκε μετά σε 50⁰ Kelvin. Αυτή ηδιαδικασία επαναλήφθηκε για τα μαγνητικά πεδία που κυμαίνονται σε ισχύ από 0,02 Τesla έως 5 Τesla. Κάτω από 10⁰ Kelvin, η μαγνητική ροή στο εσωτερικό των νανοσωλήνων έπεφτε σταθερά, καθώς το πεδίο έγινε ισχυρότερο, και ήταν κοντά στομηδέν έως 5 Τesla. Αυτή η επίδραση ήταν ακόμα πιο εμφανής καθώς η θερμοκρασία πλησίασε τους 20⁰ Kelvin. Αυτή η συμπεριφορά ταιριάζει περισσότερο με την προβλεφθείσα λόγω της επίδρασης Meissner.

Τα ηλεκτρόνια στους συμβατικούς αγωγούς κινούνται χωριστά,αλλά τα υπεραγωγικά ηλεκτρόνια κινούνται ανά ζεύγη. Η ενέργεια που απαιτείται για να χωρίσουν τα ταξινομημένα κατά ζεύγη ηλεκτρόνια είναι γνωστή ως υπεραγωγικόχάσμα. Αυτό το χάσμα ένα είναι ακόμη στοιχείο της υπεραγωγιμότητας.

3.2 ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΩΝ

Ο κόσμος της ηλεκτρονικής έγινε ακόμη μικρότερος, μετά από την πρώτηεπίδειξη των ψηφιακών λογικών κυκλωμάτων που έγιναν από νανοσωλήνες άνθρακα. Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Ντελφτ στην Ολλανδία, χρησιμοποίησαν διαφορετικούς συνδυασμούς “τρανζίστορ νανοσωλήνων” για να δημιουργήσουν με αυτόν τον τρόπο διάφορες συσκευές. Αυτές συμπεριλάμβαναν έναν αναστροφέα τάσης και μιας πύλης NOR. Καθώς η συμβατική μικροηλεκτρονική του πυριτίου, πλησιάζει το όριο του κρίσιμου μεγέθους της, οι επιστήμονες θεωρούν ότι οι συσκευές τους – που λειτουργούν στη θερμοκρασία δωματίου- είναι ένα σημαντικό βήμα προς την νανο-ηλεκτρονική.

ΚΑΙΝΟΤΟΜΙΑ ΣΤΗ ΝΑΝΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ

Η πρόσφατη έρευνα στις ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα (σχ.4.9) αποδεικνύει ότι αυτοί γίνονται γρήγορα χρήσιμα και ευπροσάρμοστα ευέλικτα υλικά,παρά ακριβώς τα περίεργα χαρακτηριστικά τους. Τα μικροσκοπικά τυλιγμένα φύλλα του γραφίτη έχουν αποδειχθεί ότι κατέχουν εκπληκτικά ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά, από την εμφάνισή τους στις αρχές της δεκαετίας του’90. Οι επιστήμονες είναι βέβαιοι ότι οι νανοσωλήνες θα διαδραματίσουν έναν σημαντικό ρόλο στη μετάβαση από τη μικροηλεκτρονική στη νανοηλεκτρονική.

Μαζί με τις υπεραγώγιμες ιδιότητές τους, οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι αρκετά ευαίσθητοι και συμπεριφέρονται ως διακόπτες που μπορούν να ανοίγουν καινα κλείνουν με ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Τέτοιες ηλεκτρικές ιδιότητες οδήγησαν σε επίδειξη των πρώτων κυκλωμάτων λογικής που έγιναν από νανοσωλήνες.

Σχήμα4.9 Νανοσωλήνας Άνθρακα.

Η μέχρι τώρα γνωστή τεχνολογία κατασκευής τρανζίστορ πυριτίου, μπορεί νααρχίσει σιγά σιγά να ξεπερνιέται – και μαζί της και τα γνωστά προβλήματα απαγωγήςθερμότητας, αύξησης ταχύτητας απόκρισης, αλλά και χωρητικότητας, μέσα σε ένα τσιπάκι. Μια καινούρια τεχνολογία στηρίζεται στα νανο καλώδια. Τη βάση, στην οποία μπορούν να κατασκευαστούν τρανζίστορ εξαιρετικά μικρά σε μέγεθος, αρκετά γρήγορα και με μικρό κόστος, έτσι ώστε να χρησιμοποιηθούν σε υψηλών απαιτήσεων ηλεκτρονικές εφαρμογές.

ΓΡΑΦΙΝΕΣ

Ένα νέο, «αδιόρατο» υλικό είναι οι γραφίνες (σχ. 4.11), τόσο λεπτό ώστε 200 στρώματά του χρειάζονται για να φθάσουν το πάχος της ανθρώπινης τρίχας. Η ανακάλυψή τους ετοιμάζεται να φέρει τα πάνω κάτω στον κόσμο των κυκλωμάτωνκαιτης μικροηλεκτρονικής.

Σχήμα4.11 Η δομή της γραφίνης, όπως φαίνεται μέσα από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.

Το 2001 ο καθηγητής Φυσικής του αμερικανικού Πανεπιστημίου Georgia Tech Βαλτ ντε Χέερ (WaltdeHeer) ξεκίνησε να ψάχνει τη δυνατότητα χρήσης του γραφίτη σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Συγκεκριμένα πειραματίστηκε με τις πολύ λεπτές  στρώσεις  που  απαρτίζουν  τον  γραφίτη,  που  αργότερα  ονομάστηκαν «γραφίνες» (graphene: γραφίνη ή γραφένιο). Υποψιαζόταν ότι η λεπτότατη γραφίνηθα μπορούσε να υποκαταστήσει τοπυρίτιο σε νανο-κυκλώματα που θαχειρίζονταντα ηλεκτρόνια ως κύματα – κάτι ανάλογο με τη χρήση του φωτός στα φωτονικάκυκλώματα. Ο λόγος που τον ώθησε σε αυτό ήταν ότι η γραφίνη έχει τη δομή του φημισμένου νανο-σωλήνα από άνθρακα: μοιάζει με συρματόπλεγμα. «Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι απλά γραφίνη σε κυλινδρική μορφή» δήλωσε σε συνέντευξή του ο Ντε Χέερ. «Χρησιμοποιώντας λεπτές λωρίδες γραφίνης μπορούμε να έχουμε όλες τις ιδιότητες των νανοσωλήνων, γιατί αυτές οφείλονται στη γραφίνη και στη διάταξη των ηλεκτρονίων και όχι στη δομή του νανοσωλήνα καθαυτή».

Λίγο προτού η έρευνα του Ντε Χέερ αποδώσει, ένας Ρώσος επιστήμονας, ο Κόστια Νοβοσέλοβ, παρουσίασε την πλήρη δομή της γραφίνης (σχ. 4.12) και τη βάφτισε επίσημα, στις 22 Οκτωβρίου 2004, μέσω των σελίδων του επιστημονικούπεριοδικού «Science». Οι φλούδες του γραφίτη είναι ένα υλικό δύο διαστάσεων, που δεν απαντάται σε ελεύθερη μορφή στη φύση. Στην πραγματικότητα δεν είναι ένα μόνο υλικό, αλλά οικογένεια ολόκληρη από κρυστάλλους δύο διαστάσεων.

Σχήμα4.12 Δομή ατόμων Γραφίνης

Η πιο εκπληκτική τους ιδιότητα είναι ότι τα ηλεκτρόνιά τους κινούνται σε «τεράστιες» αποστάσεις (αποστάσεις υπομικρών) χωρίς περισπασμούς, σαν να αδιαφορούν πλήρως για το περιβάλλον τους (που απέχει μόλις μερικά άνγκστρομ – το ένα δεκάκις χιλιοστό του μικρού- μακριά). Ακόμη και στη μεταφορά του φορτίουτων ηλεκτρονίων η γραφίνη διαφέρει: κυβερνιέται από τους νόμους της «εξίσωσης Dirac», μιμούμενη τα σωματίδια με μηδενική αδρανειακή μάζα. Είναι δηλαδή το σκαλοπάτι μας για την εξιχνίαση της κβαντικής δυναμικής. Τα αμέσως επόμενα δύο χρόνια ο Χέερ και άλλες τρεις ομάδες ερευνητών (από τις ΗΠΑ, την Αγγλία και τη Γερμανία) παρουσίασαν τρανζίστορ κατασκευασμένα με την επεξεργασμένη νέα νανο-μορφή αυτού του υλικού.

Τα κυκλώματα από γραφίνη παρουσίαζαν υψηλή κινητικότητα των ηλεκτρονίων – ως 25.000 τετραγωνικά εκατοστά ανά βολτ ανά δευτερόλεπτο. Αν κατόρθωναν να φτιαχτούν δομές ελάχιστης διάστασης, η ταχύτητά τους θα εκτοξευόταν  σε απίστευτα ύψη. Το ενδιαφέρον όλων, φυσικών και βιομηχανίας μικροκυκλωμάτων, αυξήθηκε κατακόρυφα και όλοι άρχισαν να αναζητούν τρόπους χειρισμού των στρωμάτων του γραφίτη.

Οι εξαγγελίες για «στροφηλεκτρονική» (spintronics) και «μοριακή ηλεκτρονική» έμοιαζαν να έχουν βρει επιτέλους το τέλειο υλικό για το χτίσιμό τους. Σύντομα όμως οι προσπάθειες έδειχναν να πέφτουν σε αδιέξοδο καθώς κανένας δεν μπορούσε να χειριστεί τη γραφίνημεακρίβεια.Ηουσίααυτήδενμπορούσεναλειτουργήσειαυτόνομακαιγιαναμεταβληθείσεχειρίσιμουλικόέπρεπεναεπικολληθείσε έναυπόστρωμα.

Η κυψελοειδής διάταξη των ατόμων της (επίπεδα εξάγωνα,όπωςστοσυρματόπλεγμα) δεν είχε την αντοχή να παραμείνει συνεκτική στη μεταβολή της θερμοκρασίας ή της πίεσης. Η απάντηση ήρθε από επιστήμονες του βρετανικού πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, με τη συνεργασία ερευνητών του γερμανικού ινστιτούτου Max Planck. Οι επιστήμονες κατόρθωσαν να επικολλήσουν γραφίνη (σχ. 4.13) σε δύο ταινίες και να δημιουργήσουν με αυτές ένα απόλυτα λειτουργικό και αξιοποιήσιμο από τη βιομηχανία τρανζίστορ. Το θεαματικό ήταν ότι το κατασκεύασμά τους άντεξε σε όλες τις δοκιμές, χωρίς να διαλυθεί…ως όφειλε.

Πώς τα κατάφεραν; Το μυστικό βρισκόταν στο ότι οι ταινίες που έφτιαξαν είχαν ελαφρά κυματοειδή επιφάνεια και όχι απόλυτα επίπεδη, οπότε οι δυνάμεις συγκράτησης των ατόμων ήταν πολύ ισχυρότερες.

Σχήμα4.13 Στρώματα γραφίνης

Η ουσία είναι ότι έχουμε πλέον το κατάλληλο υλικό που ψάχναμε,το λεπτότερο στρώμα που υπάρχει στον πλανήτη (200 στρώματα γραφίνης χρειάζονταιγια να φτάσουν το πάχος ανθρώπινης τρίχας). Το μόνο που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να κινούνται αστραπιαία και ανεμπόδιστα, σαν σφαίρες. Η προοπτική για τους υπολογιστές και τις «έξυπνες μικροσυσκευές» είναι προφανής: θα έχουμε μια εντελώς νέα γενιά κυκλωμάτων, με εκπληκτικές ταχύτητες επεξεργασίας δεδομένων και επικοινωνίας μέσα στα επόμενα χρόνια.

*Δημήτρης Παυλόπουλος, Μηχανολόγος Ηλεκτρολόγος, πρώην Πρόεδρος ΔΚΜ, πρώην Μέλος ΔΣ ΕΛΟΤ

**Χρήστος Σκοπετέας, Μηχανικός πληροφορικής και συστημάτων