«Νανοστέφανα», μια ενεργειακή λεωφόρος

Νέα δομή άνθρακα με μορφή «νανοστεφάνου» υπόσχεται καλύτερη απόδοση για φωτοβολταϊκά και μπαταρίες και μηδαμινή κατανάλωση για τις μνήμες των συσκευών

ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ:  08/11/2015 05:45

H κατασκευή νανοσωλήνων από το στοίβαγμα νανοστεφάνων και το μπόλιασμά τους με άζωτο γεννούν τα οργανικά νανο-ηλεκτρονικά

 

Πιθανότατα το έχετε προσέξει: σχεδόν το σύνολο των βραβείων Nομπέλ της τελευταίας 15ετίας αναφέρεται όχι σε ανακαλύψεις του ορατού κόσμου αλλά του αόρατου - του νανόκοσμου των πρωτεϊνών, του DNA, των κρυσταλλικών δομών, των μονοατομικών διατάξεων, των στοιχειωδών σωματιδίων, των κβάντων. Και επειδή ακριβώς αυτές οι ανακαλύψεις επιτελούνται πέρα από τα σύνορα που κλασικά διαχώριζαν τις επιστήμες - ιατρική, βιολογία, φυσική, χημεία -, μια νέα «πανεπιστήμη» φαίνεται να ορθώνει τώρα το ανάστημά της, κάτι που ανεπίσημα ακόμη αποκαλείται «επιστήμη των νέων υλικών». Και είναι τέτοια η ορμή και η συχνότητα των ανακαλύψεών της που δείχνει να της διασφαλίζει την πρωτοκαθεδρία στις εξελίξεις του 21ου αιώνα.

Ανθρακας, όντως θησαυρός

Αν ψάξουμε για τον ελάχιστο κοινό παρονομαστή όλων αυτών των νανοανακαλύψεων, μάλλον θα τον βρούμε στο όνομα του πιο κοινού συστατικού του κόσμου μας: του άνθρακα. Αυτό το ταπεινότερο των υλικών, η πεμπτουσία τού «χους εκ χοός», κατόρθωσε να μας καταπλήξει πολλαπλά τις πρόσφατες δεκαετίες με τις απίστευτες νέες μεταλλάξεις της. Αναλογισθείτε, για παράδειγμα, τον περίφημο νανοσωλήνα άνθρακα: είναι απλά άνθρακας, διατεταγμένος όμως σε ένα «κοτετσόσυρμα» μονοατομικής στιβάδας που, στριμμένο σαν τσιγάρο 10.000 λεπτότερο από ανθρώπινη τρίχα, αποκτά ιδιότητες απίστευτες (βλ. www.tovima.gr/science/article/?aid=151070).  

Εκατοντάδες βιομηχανίες σε όλον τον πλανήτη πασχίζουν αυτή τη στιγμή να βρουν τρόπο μαζικής και φθηνής παραγωγής νανοσωλήνων άνθρακα, με μήκος ταιριαστό για τις μύριες εφαρμογές όπου μπορούν να αξιοποιήσουν τις ιδιότητές του. Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με την άλλη μορφή άνθρακα που σάρωσε τις εντυπώσεις την τελευταία πενταετία, το γραφένιο. Αυτή η μονοατομική φλούδα του ταπεινότατου γραφίτη (των μολυβιών μας) είναι επίσης μια μαγική νέα μορφή του άνθρακα που περιμένει τη μαζική παραγωγή της (βλ. www.tovima.gr/science/article/?aid=179502). Και ενώ δεν περνάει μήνας - μάλλον... εβδομάδα - χωρίς κάποια νέα ανακοίνωση να διευρύνει το οπλοστάσιο ιδιοτήτων αυτών των δύο, τώρα η επιστημονική κοινότητα σαστίζει με την ανακάλυψη μιας ακόμη «ανθρακομορφής»: του νανοστεφάνου (nanohoop).

Η φέτα του σαλαμιού

Το μέγα πρόβλημα όσων προσπαθούν να βρουν αξιόπιστο και οικονομικό τρόπο παραγωγής νανοσωλήνων είναι η ανομοιογένεια του πλέγματος και οι τυχαίες προσμείξεις άλλων ατόμων σε αυτό. Γα να το αναγάγουμε σε όρους της καθημερινότητας, είναι σαν ψάχνουμε μια διαδικασία παραγωγής που θα μας βγάζει λείο, ομοιόμορφο και ομογενές «παριζάκι», αλλά μέχρι στιγμής παίρνουμε «χωριάτικο σαλάμι» γεμάτο εξογκώματα και δυσμορφίες.

Ο εφευρέτης του νανοστεφάνου Ramesh Jasti κρατώντας ένα υπερμέγεθες ομοίωμά του

Ο ινδός χημικός Ραμές Τζαστί (Ramesh Jasti) βρισκόταν στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ το 2006 και έψαχνε θέμα για το μεταδιδακτορικό του. Βλέποντας το αδιέξοδο της σπαζοκεφαλιάς που αντιμετώπιζαν οι ερευνητές των νανοσωλήνων, του ήρθε μια ιδέα: αντί να παιδεύεται με τη σύσταση και τη μορφή που έπαιρνε το όλο «κοτετσόσυρμα» - προτού το τυλίξουν σε σωλήνα -, γιατί να μην εστιάσει στο μικρότερο δομικό στοιχείο του που διατηρεί τις επιθυμητές ιδιότητες ώστε μετά να χτίσει με αυτό νανοσωλήνες σαν να στήνει πύργο από τουβλάκια Lego; Ή, για να το πούμε με τους προαναφερθέντες όρους, γιατί να μη φτιάξει πρώτα τις φέτες και ύστερα το παριζάκι; Αν τα κατάφερνε, θα είχε αποκτήσει έναν απόλυτα ομοιογενή νανοσωλήνα, με μια απόλυτα ελεγχόμενη διαδικασία παραγωγής.

Τελικά τα κατάφερε και το 2008 ο κόσμος διάβασε για πρώτη φορά τη λέξη «νανοστέφανα» στη διατριβή του (βλ. http://ipo.lbl.gov/wp-content/uploads/sites/8/2014/08/2753pub1.pdf). Το 2009 ο Τζαστί πήρε μεταγραφή στο Boston University ως λέκτωρ και συνέχισε την έρευνά του συνεργαζόμενος με την επιβλέπουσα του μεταδιδακτορικού του Carolyn Bertozzi. Το 2010 δημοσίευσαν μια σαφέστατα βελτιωμένη έκδοση της μεθόδου παραγωγής νανοσωλήνων από «νανοστέφανα» (www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009261410006202).

Τα δαχτυλίδια του βενζενίου

Στη Βοστώνη ο Τζαστί είχε μια νέα επιφοίτηση: σκέφθηκε ότι αυτοί οι κρίκοι δομών άνθρακα που απάρτιζαν τα «τουβλάκια Lego» των νανοσωλήνων θύμιζαν πολύ τους δακτυλίους βενζενίου που γνώριζε τόσο καλά από την οργανική χημεία. Μήπως λοιπόν θα ήταν εφικτό να φτιάξουμε νανοσωλήνες όχι πλέον από σκέτο άνθρακα αλλά και από αρωματικούς υδρογονάνθρακες; Το ερώτημά του έγινε έρευνα και η έρευνα κατέληξε στην παραγωγή δακτυλίων κυκλοπαραφαινυλενίου (Cycloparaphenylenes, CPPs) που αύξησε την απόδοση παρασκευής νανοσωλήνων κατά δύο τάξεις μεγέθους.

Τα ευρήματα αυτά ήταν άκρως εντυπωσιακά, αλλά δεν συγκρίνονταν με αυτό που ανακοίνωσε στις 3 Σεπτεμβρίου 2015 ο δαιμόνιος Ινδός - έχοντας πάρει πλέον νέα μεταγραφή, ως αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Ορεγκον: κατασκεύασε αζωτονανοστέφανα από συνδυασμό ατόμων άνθρακα και αζώτου και άνοιξε για πρώτη φορά τον δρόμο στα «οργανικά νανο-ηλεκτρονικά» (βλ. http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.5b00269).

Το κλειδί της όλης ιστορίας είναι ότι η πρόσμειξη των νανοσωλήνων άνθρακα με υλικά όπως το άζωτο, ο φώσφορος ή το πυρίτιο επιτρέπει τη μετατροπή των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του ανθρακικού υλικού. Το μπόλιασμα με άζωτο, για παράδειγμα, όχι μόνο επιτρέπει τη «ρύθμιση» νανοηλεκτρονικών κυκλωμάτων αλλά και τη δόμηση «δότη-υποδοχέα ηλεκτρονίων» μέσα στο κάθε νανοστέφανο του νανοσωλήνα.

Φόρτιση του κινητού μία φορά τον χρόνο;

Τι σημαίνει αυτό στην πράξη; Οτι η «νεκρή ζώνη ηλεκτρονίων» - δηλαδή, η ζώνη εκείνη των ηλεκτρονίων μέσα στο άτομο που κλασικά δεν ελευθερώνονται ώστε να συμμετάσχουν σε ηλεκτρικό ρεύμα (η αγγλιστί λεγόμενη band gap) - σχεδόν εκμηδενίζεται. Αρα ένα μελλοντικό φωτοβολταϊκό φτιαγμένο από πλακίδια νανοσωλήνων θα έχει απίστευτα μεγαλύτερη απόδοση από τα τωρινά. Το ίδιο προβλέπεται να συμβεί και με τις μελλοντικές μπαταρίες.

Η θεαματική αυτή ενεργειακή ωφέλεια θα ανατροφοδοτείται από την «ενεργειακή δίαιτα» των κυκλωμάτων που θα φτιάχνονται με οργανικά νανο-ηλεκτρονικά. Πάρτε για παράδειγμα τις μνήμες των υπολογιστών και των κινητών τηλεφώνων μας: ο πιο μοντέρνος τύπος μνημών που σχεδιάζονται είναι αυτός που φτιάχνεται από PCM (phase-change materials - υλικά που αλλάζουν φάση). Η τεχνολογία τους προδιαγράφει ότι το ηλεκτρικό ρεύμα που τις διατρέχει καταχωρίζει τα δεδομένα σε μεταλλικά μικροκανάλια μέσω της έκλυσης θερμότητας που αλλάζει την ενεργειακή κατάσταση των μικροκαναλιών. Αν λοιπόν τη θέση των μικροκαναλιών πάρουν νανοσωλήνες φτιαγμένοι από αζωτονανοστέφανα, υπολογίζεται ότι η κατανάλωση ενέργειας των μνημών PCM θα κατεβεί στο 1% - ή και λιγότερο - της τωρινής. Επομένως, και η όλη κατανάλωση των αυριανών συσκευών θα είναι τόσο μηδαμινή που... θα φορτίζουμε τον φορητό μας υπολογιστή μία φορά τον χρόνο!

Δεν ξέρω για εσάς αλλά, αν συμβεί αυτό, εγώ προσυπογράφω από τώρα το Nομπέλ στον Ramesh Jasti.

ΑΝΑΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ ΑΠΟ ΤΟ ΒΗΜΑ 11/11/2015