Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 41 – vyšlo 30. října, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

41/2009

Detektor svetla z uhlíkových nanotrubičiek

Vladimír Scholtz

V poslednom bulletine ste sa mohli dočítať o novom atramente (inkoustu) z nanočastíc magnetitu (Fe₃O₄) obalené oxidom kremičitým (SiO₂), ktorý je možné magnetickým poľom prefarbiť aj na farby doposiaľ nevídané. Keďže už máme atrament, ktorý ľahko mení farby, bude dobré mať aj niečo, čím by sme tieto farby mohli detekovať. A keďže je to moderné, tak nanodetektor.

Nanotrubička – tenké a zároveň dlhé duté valčeky zložené z uhlíkových atómov. Priemer je nieko¾ko nanometrov, dåžka môže dosahovať až centimetre. Chromofor – světlocitlivá molekula, která absorbuje světelná kvanta s vhodnou vlnovou délkou. Tato kvanta nějakým způsobem změní stav molekuly – zkroutí ji, excitují, změní její vodivost atp.

Skupina výskumníkov z Sandia National Laboratories z Kalifornie práve publikovala článok [1] o detekcii farieb viditeľného svetla požitím uhlíkovýchUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. nanotrubičiekNanotrubička – tenké a zároveň dlhé duté valčeky zložené z uhlíkových atómov. Priemer je nieko¾ko nanometrov, dåžka môže dosahovať až centimetre. s chromoforomChromofor – světlocitlivá molekula, která absorbuje světelná kvanta s vhodnou vlnovou délkou. Tato kvanta nějakým způsobem změní stav molekuly – zkroutí ji, excitují, změní její vodivost atp.. Uhlíkové nanotrubičky sú tenučké a zároveň dlhé valčeky zložené z uhlíkových atómov. Zatiaľ čo ich priemer je niekoľko nanometrovNanometr – tisícina mikrometru, jednotka používaná zejména ve fyzice pevných látek. Je to jednotka srovnatelná s meziatomovou vzdáleností v krystalické mříži., môžu byť dlhé až centimetre. Uhlík-uhlíková väzba je veľmi pevná, vďaka čomu sú tieto uhlíkové trubičky silne odolné voči deformáciám a iným vonkajším vplyvom.

Obr. 1.: Uhlíková nanotrubička. Biele čiary predstavujú uhlík-uhlíkovú väzbu,
uzly naznačujú polohu jadier jednotlivých atómov uhlíka. Prevzaté z [3].

Je možné, že táto trubička pripomenula spomínaným výskumníkom tyčinky a čapíky v ľudskom oku a inšpirovala ich k napodobneniu tejto štruktúry. V ľudskom oku dopadá svetlo na sietnicu, konkrétne na tyčinky a čapíky, v ktorých vyvoláva sériu následných chemických reakcií. Vzniknutý chemický signál sa viac ako miliónkrát zosilní a prevedie na signál elektrický. Zvyšné bunky sietnice integrujú signály z okolitých tyčiniek a čapíkov do nervových vzruchov v zrakovom nerve. V našom nanodetektore sa na povrchu a v okolí trubičky nachádzajú rôzne svetlocitlivé molekuly, tzv. chromofory. Pokiaľ na tieto molekuly dopadne svetlo o vhodnej vlnovej dĺžke, absorbujú ho a nejakým spôsobom zmenia svoj stav, skrútia sa, excitujú, zmenia vodivosť a podobne. V našom prípade boli použité zložité organické molekuly na báze kyseliny pyrénbutánovej, ktoré vplyvom svetla zmenia prahové napätie FETFET – Field-Effect Transistor, tranzistor řízený elektrickým polem. Tvar a vodivost kanálu mohou být ovlivněny napětím přiloženým k řídící elektrodě. Součástku patentoval v roce 1930 Julius Edgar Lilienfeld, americký inženýr rakousko-uherského původu. tranzistora (tranzistora citlivého na elektrické pole), ktorý je tvorený týmito nanotrubičkami nanesenými na kremíkovú podložku. Vo finále boli použité tri druhy chromoforov, každý citlivý na inú farbu svetla: fialová (342 nm), modrofialová (381 nm) a modrá (467 nm). Hľadanie vhodných chromoforov citlivých aj na červené a následne aj infračervené vlnové dĺžky stále pokračuje.

Obr. 2.: ChromoforyChromofor – světlocitlivá molekula, která absorbuje světelná kvanta s vhodnou vlnovou délkou. Tato kvanta nějakým způsobem změní stav molekuly – zkroutí ji, excitují, změní její vodivost atp. pripojené na FETFET – Field-Effect Transistor, tranzistor řízený elektrickým polem. Tvar a vodivost kanálu mohou být ovlivněny napětím přiloženým k řídící elektrodě. Součástku patentoval v roce 1930 Julius Edgar Lilienfeld, americký inženýr rakousko-uherského původu. tranzistor tvorený z uhlíkovej nanotrubičkyNanotrubička – tenké a zároveň dlhé duté valčeky zložené z uhlíkových atómov. Priemer je nieko¾ko nanometrov, dåžka môže dosahovať až centimetre.
a kremíkovej podložky. Prevzaté z [2].

Obr. 3: Posun prahového napätia pre FETFET – Field-Effect Transistor, tranzistor řízený elektrickým polem. Tvar a vodivost kanálu mohou být ovlivněny napětím přiloženým k řídící elektrodě. Součástku patentoval v roce 1930 Julius Edgar Lilienfeld, americký inženýr rakousko-uherského původu. tranzistor z uhlíkovej nanotrubičky pre rôzne svetlo. Čierna krivka znázorňuje neosvietený tranzistor, pre červené svetlo je posun prahového napätia minimálny, pre zelené a modré svetlo je už posun merateľný. V strede je fotografia tranzistora z elektrónového mikroskopuElektronový mikroskop – mikroskop, který k zobrazení předmětů využívá vlnových vlastností svazku elektronů. Elektron se chová podobně jako světlo, jeho vlnová délka je ale výrazně kratší a tak je možné sledovat menší předměty než za pomoci světla. Elektronový mikroskop byl vynalezen v roce 1931 Ernstem Ruskou., žltá zvislá čiara je citlivá nanotrubička. Prevzaté z [1].

Myšlienka použiť nanotrubičky k detekcii svetla samozrejme nie je žiadnou novinkou, avšak až teraz sa podarilo vyrobiť detektor, ktorý by obsahoval chromofory nanesené priamo na elektricky citlivú časť detektora (teda priamo na nanotrubičku), čím bola dosiahnutá relatívne vysoká citlivosť. Popisovaný detektor je oproti podobným detektorom až o rád citlivejší a je schopný zachytiť svetlo s energiou len 40 W/m², čo sú približne 3 % slnečného žiarenia dopadajúceho na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru..

Tak ako obyčajne, pôvodnou snahou výskumníkov bolo pochopiť proces vzniku uhlíkových nanotrubičiek a základných interakcií medzi nimi a okolitými molekulami. Súčasné výsledky však sľubujú veľký potenciál do budúcna, možnosť výroby optického detektora s rozlíšením na niekoľko nanometrov, tenučké digitálne fotoaparáty, účinnejšie solárne články alebo dokonca čítanie genómu znie lákavo. Určite sa nájde mnoho ďalších výskumníkov a firiem ochotných investovať do vývoja ďalších, už komerčných, aplikácií.

Klip týdne: Růst nanotrubice

Růst nanotrubice. Unikátní záběry růstu nanotrubice byly pořízeny elektronovým mikroskopem na Univerzitě v Cambridgi. Záběry pořídil tým Dr. Stephana Hofmana za pomoci transmisní elektronové mikroskopie (TEM), při které je obraz vytvářen prošlými elektrony. Jako zdroj uhlíku sloužil plynný acetylén. Šlo o katalytickou reakci CVD (Chemical Vapour Deposition), katalyzátorem byl nikl. Nanotrubice dnes slouží jako základní jednotky různých elektronických zařízení. Využívají se i při výrobě vysoce odolných materiálů. Zdroj: University of Cambridge. (avi/divx, 10 MB)

Odkazy