Στα nano-γήπεδα του άνθρακα

Με την «παρά θιν αλός» επιστήμη ασχοληθήκαμε σε παλιότερη ανάρτηση, όπου με μεγάλη ευκολία δείξαμε πώς σε μια λιτή εξίσωση μπορεί να χωρέσει ολόκληρος ο κόσμος των αμμολόφων. Στο μεσοδιάστημα βέβαια, μεσολάβησε το μέγα καλλιτεχνικό γεγονός του μουντιάλ, το οποίο φυσικά δεν θέλησα ν’ αφήσω, από επιστημονική πάντοτε άποψη, να περάσει στο ντούκου. Τι να γράψεις βέβαια γιαυτό; Πέρα από τη φυσική της κλωτσιάς και της κεφαλιάς «ψαράκι», τη φυσική των κρούσεων και την εργοδική θεωρία με βάση το stadium model, τι άλλο έμενε; Μα φυσικά η μπάλα!

Όχι βέβαια η στρογγυλή θεά που μάγεψε και παρέσυρε πολλούς από σας, αλλά κάποιες περίεργες ενώσεις άνθρακα με δομή φτυστή της μπάλας, που μάγεψαν εμένα και που τώρα ίσως μαγέψουν και σας, τα περίφημα δηλαδή φουλερένια.

Ο άνθρακας ως γνωστόν είναι ένα πολύ εύπλαστο χημικό στοιχείο, με την έννοια ότι τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας, αυτά δηλαδή που μετέχουν σε συνήθεις χημικές αντιδράσεις, μπορούν να υβριδίζονται, δηλαδή οι κυματοσυναρτήσεις τους να παίρνουν σχήματα είτε υπό μορφήν τετραέδρων στο χώρο σχηματίζοντας απλούς δεσμούς, είτε υπό μορφήν τριγώνου στο επίπεδο, φτιάχνοντας διπλούς δεσμούς, είτε σε μια ευθεία, όπου και ενώνονται με άλλα άτομα υπό μορφήν τριπλών δεσμών. Εξ αιτίας της ποικίλης αυτής αρχιτεκτονικής, ο άνθρακας μπορεί και σχηματίζει σωρεία ενώσεων και δεν είναι τυχαίο ότι αποτελεί, συν τοις άλλοις τη χημική μήτρα της ζωής.

Τα φουλερένια (fullerenes) είναι οι μπάλες ποδοσφαίρου στα γήπεδα του μικρόκοσμου. Συγκεκριμένα, όπως και οι αληθινές μπάλες, αποτελούνται από μια συρραφή κανονικών πενταγώνων και εξαγώνων, 20 εξάγωνα και 12 πεντάγωνα η κάθε μια, κι όλα αυτά από ένα σύνολο 60 ατόμων άνθρακα, (C₆₀), όπου το καθ’ ένα συνδέεται με άλλα τρία διαμέσου ενός διπλού δεσμού. Ανακαλύφθηκαν το 1985, και όπως όλα τα καλά τα πράγματα, τυχαία, από τους Harold Kroto, Robert Curl and Richard Smalley, οι οποίοι και τσίμπησαν το βραβείο Nobel γι αυτή τους τη δουλειά, μια δεκαετία αργότερα.

Τα φουλερένια είναι πολύ ανθεκτικά, μπορούν δηλαδή ν’ αντέξουν σε μεγάλες πιέσεις. Επίσης έχουν βρει το δρόμο τους σαν καταλύτες, υποβοηθώντας δύσκολες χημικές αντιδράσεις, ενώ λόγω των ιδιαίτερων ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων άνοιξαν την όρεξη των τεχνολόγων να τα χρησιμοποιήσουν σαν βάση για φωτοβολταικά, με προοπτικές αντικατάστασης των ήδη υπαρχόντων από πυρίτιο, και σαν εξαρτήματα σε ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Η ανακάλυψη όμως αυτή δεν έμεινε εκεί. Πολύ γρήγορα βρέθηκαν και άλλες σφαιρικές ή σχεδόν σφαιρικές ενώσεις άνθρακα με λιγότερα ή περισσότερα άτομα, από 28 έως και μερικές εκατοντάδες. Ήταν να μην ανοίξει ο δρόμος. Άπαξ και έγινε, το πρώτο που θα σκεφτόταν κανείς ήταν αν το κλουβάκι που σχημάτιζαν θα μπορούσε να φιλοξενήσει ένα και δύο, και γιατί όχι, και περισσότερα άλλα ξένα άτομα. Αληθινή πρόκληση, στην οποία ανταποκρίθηκαν μεταλλικά άτομα, από την κατηγορία των αλκαλικών γαιών, των αλκαλίων, των λανθανιδών και άλλων, όπως και ευγενή αέρια, αν και με μεγαλύτερη δυσκολία. Οι ενώσεις που προέκυψαν, για παράδειγμα οι La@C₆₀, Sc₃N@C₈₀ ή He@C₆₀ αποτέλεσαν τη μεγάλη κατηγορία των ενδογενών (endohedral), φουλερενίων, με μεγαλύτερη σταθερότητα και συνεπώς, μικρότερη ικανότητα προς αντίδραση απ’ ότι τα άδεια φουλερένια, ακόμα και σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες. Το ενδιαφέρον της υπόθεσης είναι ότι στην περίπτωση των ευγενών αερίων, τα φουλερένια δρουν σαν ατομικές παγίδες εξαναγκάζοντας το παγιδευμένο άτομο σε πλήρη ακινησία και για μεγάλο χρονικό διάστημα, στο κέντρο της σφαίρας, κατόρθωμα ιδιαίτερα δύσκολο, παρά μόνο με μαγνητικά μέσα ή με τεχνικές laser cooling. Αλλά το μεγαλύτερο ενδιαφέρον στρέφεται προς την κατεύθυνση, να χρησιμοποιηθούν μελλοντικά σαν οχήματα μεταφοράς φαρμάκων κατευθείαν στην περιοχή που πάσχει, όνειρο από το οποίο κατατρύχεται όλη η σύγχρονη βιολογία και ιατρική.

Η ιστορία όμως δεν σταματάει εδώ. Μάλλον αρχίζει, όταν το 1991 ο καλός άνθρωπος Iijima ανακαλύπτει, τυχαία πάλι, τους πρώτους νανο-σωλήνες, (nanotubes), δηλαδή σωλήνες άνθρακα μεγάλου μήκους (αρκετά μικρόμετρα) και πολύ μικρής διαμέτρου (ολίγων νανομέτρων), θέτοντας έτσι και επισήμως τα θεμέλια της νανο-τεχνολογίας. Ένα νανόμετρο είναι χίλιες φορές μικρότερο από ένα μικρόμετρο, και ένα μικρόμετρο είναι ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο του μέτρου.

Για να δείτε τη δομή τους φανταστείτε ένα φύλλο γραφενίου, το οποίο αποτελείται μόνο από εξάγωνα και τυλίξτε το ώστε να πάρει τη μορφή κυλίνδρου, (Single Wall Nano Τubes). Με δύο φύλλα γραφενίου προκύπτουν κύλινδροι με δυο τοιχώματα, ενώ με τρία φύλλα, έχουμε τρία τοιχώματα, κοκ. Φυσικά κάθε κατηγορία επιδεικνύει και διαφορετικές ηλεκτρικές, μηχανικές, θερμικές και οπτικές ιδιότητες, κυρίως όμως μεγάλη ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, εξ ού και το μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον που υπόσχονται για το πέρασμα από τα μικρο-ηλεκτρονικά κυκλώματα του πυριτίου στα νανο-ηλεκτρονικά του άνθρακα. Οι ιδιότητες όμως διαφέρουν άρδην, ανάλογα και με τον τρόπο που γίνεται το τύλιγμα του φύλλου, δηλαδή ευθέως, άκρη με άκρη, ή με ελαφρό στρίψιμο ώστε οι δύο άκρες να μην συμπίπτουν. Έτσι μπορούμε να φτιάξουμε νανοσωλήνες, πάντα από άνθρακα, που να συμπεριφέρονται ως ημιαγωγοί ή ως μέταλλα. Cool! Αλλά, οι διαφορές δεν σταματούν εδώ· αλλιώς συμπεριφέρονται νανοσωλήνες με μικρή διάμετρο και αλλιώς με μεγαλύτερη. Φανταστείτε δηλαδή με πόσες παραμέτρους έχει να παίξει κανείς ώστε να φτιάξει το νανοσωλήνα που του ταιριάζει. Και η ευελιξία δεν σταματάει εδώ, μιας και προσμίξεις με άλλες χημικές ενώσεις ή άτομα, μπορούν ν’ αλλάξουν δραματικά το τοπίο των ιδιοτήτων ενός συγκεκριμένου νανοσωλήνα.

Τελειώσαμε; Όοοοχι φυσικά! Διότι ήτανε ζήτημα χρόνου να φτιαχτούν και νανοσωλήνες, μόλις το 2002, που να περιέχουν εντός τους τα φουλερένια μπάλες, γεμάτες κι αυτές με τη σειρά τους με κάποιο ή κάποια από τα άτομα που προαναφέραμε. Οι εν λόγω ενώσεις, που για ευνόητους λόγους ονομάστηκαν peapods, δηλαδή «αρακάς», διαθέτουν ακόμα πιο καταπληκτικές ιδιότητες, μιας και μπορούν να αλλάζουν την ημι-αγώγιμη συμπεριφορά του νανοσωλήνα, ανάλογα με τη θέση των φουλερενίων στο εσωτερικό του, σχηματίζοντας, ας πούμε μια σειρά από τρανζίστορς.

Θα μπορούσαμε να είχαμε αποχαιρετιστεί εδώ, αν πρόσφατα δεν συνέβαινε κάτι το αναπάντεχο. Κάποιοι ιάπωνες φοιτητές που ήταν επιφορτισμένοι με το ψήσιμο του «αρακά», κάπου φαίνεται θα ξεχάστηκαν και άφησαν τη θερμοκρασία να πιάσει τους 1000^ο C. Ανοίγοντας το φούρνο, έκπληκτοι παρατήρησαν ότι οι μπάλες είχαν εντελώς διαλυθεί, με τους άνθρακές του σκελετού τους να έχουν φτιάξει ένα δεύτερο τοίχωμα στο εσωτερικό του νανοσωλήνα, και με τα άτομα που αρχικά βρίσκονταν στο εσωτερικό των φουλερενίων να έχουν παραταχθεί το ένα πίσω από το άλλο κατά μήκος του άξονα του νανοσωλήνα, σαν σε μακρύ κορδόνι. Αυτό, το από κάθε άποψη μονοδιάστατο κβαντικό κορδόνι δεν ήταν πια απλός νανοσωλήνας, αλλά κάτι εξωφρενικά μικρότερο κι απ’ αυτόν, ήταν δηλαδή ένα νανοσύρμα (nanowire).

Τα νανοσύρματα, τα οποία σημειωτέον μπορούν να φτιαχτούν και από άλλα υλικά με άλλους τρόπους δίνουν πολλές υποσχέσεις για ακόμα μικρότερες ηλεκτρονικές διατάξεις και για άλλα θαύματα που παραμένει να βρουν νέες και ευφάνταστες εφαρμογές.

Α! και κάτι άλλο που παρά λίγο να ξεχάσω! Οι νανοσωλήνες είναι ιδιαίτερα τοξικοί και καρκινογόνοι. Δυστυχώς για μας, στη ζωή ό,τι λάμπει δεν είναι πάντα χρυσός!