banner_ardu-grill.PNG

et et

Tartu Hoiu-laenuühistu finantskool. Rahakool

Seksuaaltervise kool

Beebikool

Moekool

Õigusabikool

NAISELT NAISELE

MEHELT MEHELE

Toidukool

Väikelaste kool

Põhikool

Ametikool / Kutsekool

Gümnaasium

Ülikool / Kõrgkool

Liikluskool / Autokool

Elukool / Elukestev õpe



turvakood

lapsevanem-logo.gif

Nanotorud

Lapsevanem.ee - Sisukestev õpe lapsevanemale :: Nanotorud Matemaatika, füüsika, ajalugu, inimeseõpetus jne. Kõik selleks et abistada õppijat.Nanotorud,Matemaatika, ekool, e-kool, füüsika, ajalugu, seks, abort

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 10
15 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.

printerisõbralik versioon esita küsimus
viimati toimetatud: 21. 04. 2005. 10:18