Otwórz schowek Brak ulubionych odcinków
Nanorurki węglowe – czy to będzie szczyt miniaturyzacji w elektronice? [E151]

Nanorurki węglowe – czy to będzie szczyt miniaturyzacji w elektronice? [E151]

Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Pobierz Dodaj do ulubionych

Udostępnij odcinek

Dodaj do ulubionych
Pobierz odcinek

Udostępnij odcinek

Gość odcinka

Prof. Sławomir Boncel

Prof. Sławomir Boncel

Pracuje w Katedrze Chemii Organicznej, Bioorganicznej i Biotechnologii na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Zainteresowania naukowe: synteza, fizykochemia i zastosowania nanoalotropów węgla (nanorurki węglowe, grafen, kropki kwantowe): funkcjonalne nanokompozyty, powłoki elektroprzewodzące, kataliza, technologia stealth, systemy dostarczania leków oraz nanopłyny do wymiany ciepła.

Jakżeby to było nieeleganckie, gdybyśmy w czasie wizyty na Śląsku nie porozmawiali o węglu. Wybraliśmy jednak jego postać supernowoczesną. – Hałda nanowęgla. To jest przyszłość – pół żartem, pół serio mówi w Radiu Naukowym prof. Sławomir Boncel, lider NanoCarbon Group na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej. Rozmowę nagrywamy w jego gabinecie, pełnym obiektów albo z nanorurek, albo nanorurki symbolizujących.

Nanorurka węglowa to zwinięty arkusz grafenu, czyli jednoatomowej warstwy węgla. Dla właściwości materiału znaczenie ma nawet to, w jaki sposób zostanie zwinięty.

Nanorurki mogą być długie. – Może być taka o długości 50 cm – podkreśla prof. Boncel. – To jakaż ona nano?! – oponuję. – Żeby coś było technologią nano, wystarczy, że jeden z jej wymiarów jest taki – tłumaczy naukowiec.

Dzięki temu efektowi możemy korzystać z właściwości materii objawiających się w świecie nano (prof. Boncel podał przykład żelaza, które w tej skali topi się w niższej temperaturze), w naszym codziennym świecie makro.

Autorka podcastu i koszulka z nanorurkami

W podcaście rozmawiamy o szeregu zastosowań nanorurek węglowych. Zespół prof. Boncela przygotował na przykład koszulkę wyposażoną w nanorurki, która może służyć jako sprzęt monitorujący parametry zdrowotne. Produkują też „dywany” z nanorurek.

Dywan z nanorurek (wyobrażajcie sobie jako długowłosy dywan). Brudzi!

Rozmawiamy o tym, jak gorący jest to temat w świecie technologicznym (bardzo), o tym, czy można robić nanorurki z innych pierwiastków (a jakże!), a także o potencjalnych zastosowaniach w medycynie (implanty!). Bardzo polecam!

A tak wyglądają NAPRAWDĘ. Zdjęcia spod mikroskopu elektronowego, dzięki uprzejmości prof. Boncela.

PEŁNA TRANSKRYPCJA

Sławomir Boncel: Wyobrażamy sobie, że nanorurka to jest coś bardzo małego. Ale może być nanorurka, która ma długość np. pięćdziesięciu centymetrów.

Karolina Głowacka: To jaka ona jest „nano”? [śmiech]

S.B.: No właśnie jest nanotechnologią. Tak naprawdę wystarczy, że jeden z wymiarów jest nanometryczny.

K.G.: I całe szczęście, że tak jest, bo dzięki temu możemy korzystać z zupełnie niebywałych właściwości materii objawiających się w skali nano w naszej ludzkiej skali makro. W tym odcinku prosto ze Śląska posłuchacie o węglu, ale w wyjątkowym wydaniu – rurek ze zwiniętego grafenu. To jest Radio Naukowe Karoliny Głowackiej. Dzień dobry wszystkim słuchającym. Dziękuję za słuchanie, a wszystkim wspierającym na patronite.pl/radionaukowe za wspieranie. To dzięki wam Radio Naukowe jest nie tylko stabilne, ale i rośnie jak na drożdżach. Dziękuję, dziękuję, dziękuję. Odcinek numer sto pięćdziesiąt jeden. Zaczynamy.

K.G.: Radio Naukowe w podróży w Gliwicach. Jestem na Politechnice Śląskiej. Pan profesor Sławomir Boncel znalazł dla mnie czas. Dzień dobry.

S.B.: Dzień dobry.

K.G.: Pan profesor jest wicedyrektorem Centrum Elektroniki Organicznej i Nanohybrydowej, liderem NanoCarbon Group, Wydział Chemiczny. Bierzemy na warsztat nanorurki węglowe. To zresztą jest rzecz dość naturalna, że tutaj na Śląsku rozmawiacie o węglu.

S.B.: Tak, taka hałda nanowęgla to chyba rzeczywiście przyszłość. W dowolnych aranżacjach, bo to przecież nie tylko nanorurki, ale i grafen, i kropki kwantowe, i fulereny. Cała gama różnych struktur, jak płatki śniegu.

K.G.: Dużo tego jest. Nanorurki węglowe – jak wyglądają te obiecujące twory dla technologii? To jest taki zwinięty grafen?

S.B.: Tak, zwinięcie grafenu to jest taka metafora tego, jak wygląda nanorurka węglowa.

K.G.: Pan ma tutaj taki gadżet.

S.B.: Tak, będę opowiadał.

K.G.: W tym momencie pan rozkleja nanorurkę i ją spłaszcza. Mamy taki klasyczny grafenowy układ z heksagonów.

S.B.: Tak. Możemy go oczywiście spiąć z powrotem. Wtedy będziemy mówić, że rzeczywiście jest to zwinięcie.

K.G.: Czyli mamy jednoatomową warstwę, którą zwijamy w rurkę.

S.B.: Tak. Jednoatomową, przy czym sposobów zwinięcia jest całkiem sporo, bo dla jednościennej nanorurki węglowej widzimy tutaj taką strukturę, którą można by nazwać zygzakiem. Ale możemy zwinąć tę płaszczyznę tak, że to będzie taka struktura niejako w drugą stronę.

K.G.: Czyli zamiast wzdłuż, to wszerz?

S.B.: Tak, będzie teraz taka struktura fotelowa. Może być jeszcze chiralna, czyli jakby po skosie. Dlaczego o tym mówię? Dlatego, że to ma dość istotne przełożenie na właściwości.

K.G.: To, w którą stronę zwiniemy tę płaską powierzchnię grafenu, ma znaczenie dla właściwości?

S.B.: Tak. Te właściwości są przede wszystkim elektryczne i optyczne. Przy czym te elektryczne są bardzo istotne, bo idzie za tym cała gama zastosowań. Czyli możemy mieć tzw. nanorurkę jednościenną, czyli pojedynczą zwiniętą płachtę. Może ona być półprzewodnikiem bądź takim metalicznym przewodnikiem.

K.G.: Co to znaczy „może być”? Zachowuje się, jak chce? [śmiech]

S.B.: To jest bardzo dobre pytanie dlatego, że cały napęd nanotechnologii węgla to jest to, w jaki sposób otrzymać nanorurkę o konkretnym sposobie zwinięcia, o konkretnej liczbie ścian, bo one często są przyrównywane do takiej matrioszki, czyli tej rosyjskiej babeczki – baba w babie.

K.G.: Czyli tych monowarstw jest więcej, tak?

S.B.: Tak. Mogą one być jedna w drugiej. Co ciekawe, to działa jak antena, jak teleskop w radiu, że się wyciąga. Czyli oddziaływanie pomiędzy tymi ściankami może być słabe.

K.G.: Jak luneta, tak?

S.B.: Tak. Przy czym nie jest to takie proste. Natomiast obrazuje sposób oddziaływań pomiędzy ściankami w tej nanorurce. Czyli są tam oddziaływania słabe, tak jak się pisze ołówkiem, zostawia ślad. Możemy pisać ołówkiem dlatego, że są to oddziaływania słabe.

K.G.: Między warstwami grafitu, czyli grafenu, tylko już takiego normalnego?

S.B.: Tak. Tak jakbyśmy mieli to w tej lunecie, może się to przesuwać względem siebie. I takie rzeczy rzeczywiście naukowcy robili. To znaczy, wyciągali te nanorurki w jakichś tam układach, bawili się tym jak taką nanolunetą. I teraz à propos tego sposobu zwinięcia płachty grafenowej, à propos liczby tych ścian – to wszystko rzutuje na właściwości, na cenę, na łatwość syntezy, na łatwość oczyszczania konkretnej nanorurki. Tak że z tą strukturą jest związanych cała gama problemów.

K.G.: To zaraz przejdziemy do praktyki, tylko chciałabym, żebyśmy powiedzieli, co jest takiego atrakcyjnego w byciu półprzewodnikiem? Pan tak to rzucił, że one bywają półprzewodnikami, co ma się rozumieć samo przez się, że jest to fajne. A dlaczego to jest fajne?

S.B.: To jest kwestia całej miniaturyzacji elektroniki. Jeżeli bylibyśmy w stanie otrzymać nanorurkę o określonej chiralności, czyli sposobie zwinięcia, moglibyśmy otrzymać konkretny półprzewodnik. Jeżeli mamy konkretny półprzewodnik w skali nanometrycznej, to mamy pełną miniaturyzację, już niżej się nie da. Tak jak grafen – nie można zejść poniżej tej grubości. Więc to jest jeden z elementów. Jeżeli to byłby przewodnik metaliczny, to mamy przewód, nanodrut, z którego można zbudować ścieżkę przewodzącą, również w skali nanometrycznej. Czyli właściwie można sobie wyobrazić obwód scalony…

K.G.: Czyli procesor z takich nanorurek?

S.B.: Tak, takie rzeczy są oczywiście zrobione. Natomiast kwestia efektywności, parametrów, doskonałości krystalograficznej – nie jesteśmy w tym miejscu, że potrafimy to zrobić perfekcyjnie na całej długości tej nanorurki. To à propos tego kolejnego parametru, bo to jest też dość istotne. Wyobrażamy sobie, że nanorurka to jest coś bardzo małego, ale może być nanorurka, która ma długość np. pięćdziesięciu centymetrów.

K.G.: To jaka ona jest „nano”? [śmiech]

S.B.: No właśnie, często jest tak, że tak naprawdę wystarczy, że jeden z wymiarów jest nanometryczny, żeby nazwać to nanotechnologią. My żyjemy w trzech, czterech wymiarach, w matematyce w większej liczbie, ale…

K.G.: Ale oni są dziwni, to wiemy. [śmiech]

S.B.: Chodzi o to, że jeżeli wyobrazilibyśmy sobie takie włókno z nanorurki węglowej, np. z jednej nanorurki, to byłby to na pewno bardzo ciekawy materiał, bo byłby bardzo wytrzymały. Można sobie wyobrazić pęczek nanorurek – np. taką linę holowniczą, która nie zapadałaby się pod swoim ciężarem przy jakiejś bardzo dużej długości. Tak że jest tutaj pewne pole do popisu.

K.G.: Ale gdyby nanorurka była pojedyncza i długa np. na pięćdziesiąt centymetrów, ale wielokrotnie cieńsza niż włos, to pan ją zaraz zgubi. To po co to się panu przyda? [śmiech]

S.B.: Jeżeli takich nanorurek byłyby miliardy, no to wtedy to już jest układ makroskopowy. I to tak naprawdę jest wyzwanie. Bo właściwie dlaczego nanotechnologia to jest obecnie taka intrygująca dziedzina? Dlatego, że możemy zaobserwować zupełnie inny świat. Weźmy sobie żelazo – wiemy, jak je przerabiać, temperatura topnienia to tysiąc z hakiem. A teraz weźmy sobie taki malutki fragmencik nanożelaza – okazuje się, że ono nie topi się w takiej temperaturze jak ten stalowy pręt, tylko w o wiele, wiele niższej. Czyli taka prosta właściwość zupełnie się zmienia.

K.G.: To jest coś, czego się uczymy w szkole – że taki materiał topi się w tylu stopniach.

S.B.: Tak. A to wszystko jest tak naprawdę funkcją rozmiaru. Powiedzmy, że mamy świat makroskopowy, ale jeżeli schodzimy niżej, jeżeli potrafimy wyodrębniać tę nanostrukturę i ją badać, to widzimy, że ona jest inna niż cała historia z makroświata.

K.G.: Czyli cały taki osobny świat. Jak utrzymać, że tak powiem, rurkowatość takiej nanorurki grafenowej? Bo o ile wiem, to grafen jest dość niesforny. Nie da się zrobić takiej idealnej dużej płachty. A ta rurkowatość nie zwija wam się, nie skręca, nie plącze? Nie robi się z tego jakiś taki kłębuszek?

S.B.: To jest kolejne bardzo dobre pytanie. Wrócę do tej analogii, że nanorurka nanorurce nierówna. Każda może być inna. I ta inność jest właściwie w dowolnej sferze. Jeżeli weźmiemy sobie troszeczkę szerszą nanorurkę, to ona może się zapaść, może się zginać, tak jak teraz widzimy. Może np. zgiąć się jak rulonik. Z kolei, jeżeli jest długa i w miarę cienka, to może przypominać takie spaghetti. Takie nanorurki, które są w proszku, są takim proszkiem-spaghetti. Czyli jakbyśmy rozświetlili to elektronami, to zobaczymy to po prostu tak, jakbyśmy mieli spaghetti na talerzu.

K.G.: Nasi słuchacze mogą sobie teraz wziąć np. zwykłą kartkę papieru i zwinąć ją albo jednym, albo drugim bokiem i zauważą tę różnicę? Tak, że albo jest cieniutko, albo jest szerzej? I dałoby się zgnieść, tak? To będzie chyba łatwiejsze do wyobrażenia.

S.B.: Tak. Albo np., jeżeli mamy wiele ścianek w tej nanorurce, to oczywiście ona będzie się trudniej ściskać, będzie pracować w tę stronę. Tak jakbyśmy mieli bardzo gruby rulon, z tektury.

K.G.: Ale jak będzie np. wiele różnych kabli, to nie ma problemu z tym, że one się będą zwijać, skręcać i nie będzie można nad nimi zapanować?

S.B.: To zależy, co chcemy osiągnąć. Jeżeli np. chcielibyśmy otrzymać powłokę elektroprzewodzącą, czyli powiedzmy, koszulkę, która mogłaby analizować sygnał EKG, to wytworzenie takiej pasty polega na tym, że mamy nanorurki węglowe typu spaghetti, czyli pięknie rozłożone w tej polimerowej matrycy. Potrafimy to malować, możemy to drukować, możemy używać różnych technik nakładania, ale one w tej właśnie strukturze im bardziej są splątane, tym lepiej. Ale możemy też np. chcieć, żeby było tak jak we włóknie – włókno ma przede wszystkim pracować na rozciąganie. Im bardziej one są ułożone w jednym kierunku, tym lepiej. To wszystko zależy od zastosowania.

K.G.: To się daje kontrolować? 

S.B.: Tak. Zresztą np. dywan – często się mówi o tym, że ktoś wyhodował nanorurkowy dywan.

K.G.: Teraz pan profesor wyciąga plastikowy słoik, a w środku mamy, jakby nie patrzeć, dywan.

S.B.: Troszeczkę zwinięty dlatego, że te nanorurki rosną na rurze kwarcowej.

K.G.: Szczerze mówiąc, wygląda to teraz trochę, jakbyście rozbili kubek. Taki lekko półokrągły kawałek. To co ja w tym momencie trzymam? Trochę mi to brudzi ręce.

S.B.: To są nanorurki węglowe.

K.G.: Teraz trzymam nanorurkę węglową? Pan mi tak bez uprzedzenia daje nanorurkę węglową, która ma zmienić świat i w ogóle? [śmiech]

S.B.: Ona zmienia świat w swoim tempie. Jest po prostu takim litym materiałem dlatego, że nanorurki są dość gęsto upakowane.

K.G.: Czyli to całe to są nanorurki?

S.B.: Tak. Proszę sobie wyobrazić taki gęsty las – każde drzewo to jest jedna nanorurka węglowa.

K.G.: To naprawdę jest jak ołówek, zostawia mi na palcach taki ślad.

S.B.: Tak, one na powierzchni są różnej długości, więc zostawiają ślad. Natomiast w tym litym materiale są dość długie. Taka nanorurka jest mniej więcej takiej grubości jak ten dywan, czyli tutaj jest, powiedzmy, około półtora milimetra.

K.G.: Okej. Ja zrobię zdjęcia po nagraniu i wrzucę na radionaukowe.pl. Będziecie mogli tam zobaczyć, drodzy słuchacze i słuchaczki, o jakim dywanie nanorurkowym właśnie mówimy. No i do czego się może przydać taki dywan?

S.B.: No właśnie, tutaj jest cała gama potencjalnych zastosowań. Jednym z nich jest właśnie ta pasta elektroprzewodząca, czyli tworzenie takiej drukowanej tekstroniki, czyli połączenia tekstylium z elektroniką. Mamy coś, co ma ten układ funkcjonalny. Z jednej strony jest to przyjemne, bo tekstylium daje nam komfort, a z drugiej strony funkcjonalne, czyli ten element przewodzący. I nie tylko, bo tam jeszcze są inne historie do wymyślenia. To jest jedno zastosowanie. Drugie zastosowanie – np. teraz mamy taki projekt, który dotyczy nadsmarowności, czyli takiego układu, w którym nanorurka węglowa pełni funkcję medium obniżającego tarcie. W pewnych bardzo szczególnych przypadkach takim węzłem tarcia jest polimer, czyli coś plastikowego, z metalem.

K.G.: Taki olej?

S.B.: Tak. Coś takiego jak olej, smar, w zależności od konsystencji. Ważne jest to, że oprócz tego, że to jest właśnie taka śliska powierzchnia, to jeszcze jest funkcja odprowadzania ciepła. Nanorurka węglowa jest świetna, jeśli chodzi o mechanikę, czyli rozciąganie, przy czym trzeba pamiętać, że pojedyncza tak, ale dwie nie, bo pomiędzy nimi nie ma oddziaływania, nie ma ciągłości. Tak samo jest z elektryką, tak samo jest z termiką. Nanorurka jednościenna jest lepiej przewodzącym materiałem ciepła niż diament. Czyli jest tutaj pole do manewru. Tylko wszystko dalej jest kwestią uzyskania tej jednorodności, przeniesienia tego w taką całą litą strukturę. Czy to przewodzi tak jak np. miedź w kablach do słuchawek? Nie przewodzi tak dobrze, mniej więcej kilka razy gorzej. Więc skąd się bierze ten problem? Pojedyncza nanorurka przewodziłaby wspaniale. Ale tam się pojawia opór styku, bo tych kabli jest bardzo dużo, to nie jest lita wiązka.

K.G.: Musielibyśmy mieć taką nanorurkę długości całego kabla, żeby działała?

S.B.: Właśnie, o to chodzi. Mielibyśmy wtedy taki nanokabel. Kiedyś opublikowaliśmy jako pierwsi taką pracę, że zrobiliśmy kabel USB z nanorurek węglowych, przesłaliśmy sobie tam zdjęcia z wakacji itd. To pokazuje ten potencjał elektryczny. Wiadomo, że trzeba to rozwijać, cyzelować. Powiedziałbym, że to jest już taka optymalizacyjna praca, ale potencjał jest.

K.G.: A ta tekstronika – wy robicie taką koszulkę do nano-EKG. I co ona ma robić? Monitorować człowieka? Dużo ma pan gadżetów (pan sięga teraz po koszulkę).

S.B.: Tak. Właściwie wszystko jest tu z nanorurki, oczywiście poza tekstylium, czyli tą bazą. Ścieżka przewodząca jest z nanorurki węglowej, elektroda jest z nanorurki węglowej.

K.G.: Wygląda jak posmarowane pędzlem na szerokość dwóch i pół, trzech centymetrów.

S.B.: To jest pierwszy egzemplarz, potem były prace optymalizacyjne. Tutaj to już troszeczkę lepiej wygląda. To jest oczywiście wykrojone na potrzeby badań, ale tutaj jest już jakaś tam optymalizacja.

K.G.: No tak, bardzo nowoczesna moda, bo koszulka jest pocięta i bez pleców. [śmiech]

S.B.: Tak. [śmiech] Układ tej koszulki jest taki holterowski, czyli do ciągłego monitorowania pracy serca, wszystkich parametrów związanych z chorobami kardiologicznymi. Co ciekawe, ten układ można podłączyć właściwie do każdego dostępnego oprogramowania na rynku. I można monitorować człowieka w trybie ciągłym, wyposażywszy go w taką koszulkę – to, jak on śpi, jak pracuje, jak wypoczywa, jak jest aktywny.

K.G.: Czyli np. osoba starsza albo osoba z zagrożeniem jakiejś choroby serca? Tego typu rzeczy?

S.B.: Tak.

K.G.: A sportowcy?

S.B.: Sportowcy też, właściwie cała gama osób. Mamy teraz taki projekt z Górnośląskim Centrum Kardiologii, gdzie będą realizowane badania kliniczne.

K.G.: Z tymi koszulkami?

S.B.: Tak. To jest jeden z elementów, natomiast takim ciekawym wariantem jest koszulka dla kobiet w ciąży. Za pomocą takiej koszulki można rozróżnić sygnały KTG i je monitorować.

K.G.: To też jest ważne, bo wiele kobiet musi to sprawdzać pod koniec ciąży. Albo jeśli ciąża jest zagrożona, to regularnie. 

S.B.: Oczywiście. Tym bardziej w tych pandemicznych czasach, kiedy dostęp do służby zdrowia był utrudniony – mam nadzieję, że już nigdy nie wrócą. Ważna jest ta telemedycyna, czyli zdalne przesyłanie, monitorowanie w trybie ciągłym tzw. eventów, czyli czegoś, co mogłoby budzić niepokój lekarza prowadzącego.

K.G.: I lekarz dostaje taki alarm, tak?

S.B.: Tak. Tak że to wszystko jest osiągalne za pomocą tego układu.

K.G.: Ale czy taką koszulkę można wyprać?

S.B.: W tych naszych próbach po pięciu cyklach prania ona nie straciła swoich właściwości. Oczywiście to nie znaczy, że np. po dwudziestu cyklach coś się z nią nie stanie. Pytanie jest takie: jeżeli to miałby być produkt medyczny, to czy jest to konieczne? Może np. dla jednej osoby na miesiąc monitorowania może to wystarczyć. To znaczy, nie żeby w niej cały miesiąc chodzić, tylko wyprać i ona będzie dalej zachowywać swoją funkcję.

K.G.: A droga jest taka koszulka? Nie biorę pod uwagę kwestii designu, który, jak mówiłam, sugeruje wysoką modę. [śmiech]

S.B.: Myślę, że to nie jest cena, która nie byłaby konkurencyjna, ale jest jeszcze ważna sprawa…

K.G.: Nie no, nie umknie mi pan tak łatwo. Cena niekonkurencyjna, czyli sto, dwieście, trzysta? Tysiąc? Dwa tysiące? Ile? 

S.B.: Odpowiem na to pytanie, jak będziemy mieć gotowy produkt dlatego, że tam jest jeszcze kwestia tego typu, że jednym elementem jest ta pracująca nanorurkowa część, ale bardzo ważnym elementem jest także budowa tej tkaniny. Ona musi powodować pewien docisk w niektórych konkretnych miejscach. I wyzwaniem jest tutaj np. kobieca sylwetka, bo męskich sylwetek jest raptem kilka, a jeśli chodzi o kobiece, to właściwie każda kobieta jest inna pod kątem monitorowania tego sygnału. Więc na pewno od strony designu będzie to wyzwanie.

K.G.: Dobrze, to nie cisnę, w takim razie czekamy na produkt ostateczny. A czy myśli pan, że takie nanorurki czy nanoelektronika całkiem wyprą krzem? Węgiel wygra?

S.B.: Z węglem jest o tyle lepiej, że on przewodzi ciepło, czyli jest w stanie je odprowadzać. Taki procesor krzemowy niestety nie jest w tym dobry. Problem z węglem byłby znikomy, natomiast pytanie brzmi: kiedy my będziemy mogli wyprodukować w pełni powtarzalny, skalowalny produkt? Wydaje mi się, że jest to kwestia kilkunastu lat.

K.G.: Bo mówił pan, że takie procesory z nanorurek już powstawały w laboratoriach, tak?

S.B.: Tak. Powstawały, były badane, tak jak się bada każdy procesor. Wydajność, termika, przewodzenie itd. Układy są jak najbardziej funkcjonalne.

K.G.: Tylko małe.

S.B.: Małe, ale jest jeszcze kwestia ceny. Taki niezbyt piękny materiał, który można kupić obecnie na rynku jako wielościenną nanorurkę węglową, jest bardzo niedoskonałą strukturą. Zamiast tych sześciokątów, które tutaj są, są pięciokąty, są siedmiokąty, są takie wyspy, które stanowią wyrwę w tej nanorurce. Są jakieś inne wtrącenia, czasami jakieś obce atomy, które powodują, że ten materiał nie nadaje się do wszystkiego. On się do wielu rzeczy może nadawać, np. do tego, żeby pomalować pokrycie statku, żeby glony na nim gorzej osiadały. Czyli ten opór płynięcia związany z konsumpcją paliwa może się drastycznie obniżyć. Można z tego zrobić kompozyt, który będzie przewodził prąd na tyle, że np. stworzy taką klatkę Faradaya – że można się zamknąć i nie będzie można do nas zadzwonić. To jest oczywiście bardzo ważne także z wielu innych przyczyn. Albo np. stworzyć siatkę maskującą, która będzie maskować sprzęt militarny czy człowieka, który będzie ten sprzęt obsługiwać.

K.G.: Ale jak będzie maskować?

S.B.: Taka siatka-niewidka. Siatki maskujące są również w polskiej produkcji, jest kilka firm, które się tym zajmują. My współpracowaliśmy z taką firmą właśnie pod kątem wytworzenia siatek maskujących i efekty były dość dobre, tylko dalej była kwestia finansowa. I jeszcze przyszła pandemia.

K.G.: Ale jak to ma działać, jak ona ma maskować?

S.B.: Na wiele sposobów. Te siatki nazywają się wielozakresowymi, czyli mamy różnego rodzaju zakresy promieniowania elektromagnetycznego – widzialne, niewidzialne, podczerwień, radarowe itd. Na te, które są niejako wystrzeliwane od obserwatora po to, żeby uchwycić ten obraz…

K.G.: Czyli nie wizualne, tylko na radary, tak?

S.B.: Tak, ale wizualna warstwa też musi być, żeby takie nieuzbrojone oko też niczego nie wykryło. Mówi się o tym wielozakresowym kamuflażu. Funkcja tej nanorurki jest właśnie taka, że w zależności od tego, jaka to będzie nanorurka, ile jej tam będzie, ona będzie częściowo absorbować promieniowanie i zamieniać je w ciepło, będzie je częściowo wielokrotnie odbijać, ten sygnał wróci zniekształcony itd. Jest kilka takich mechanizmów, ale nanorurka jest tam ważna i spełnia swoją funkcję.

K.G.: Mówi pan, że są one produkowane w Polsce, no to właśnie przy okazji wojny nie powinno to bardziej ruszyć?

S.B.: Myślę, że rusza. Nie o wszystkim wiemy, bo tak naprawdę światowa konsumpcja nanorurek węglowych jest olbrzymia. Jeśli chodzi o zdolności produkcyjne, to są dziesiątki tysięcy ton w skali świata.

K.G.: Tych dobrych jakości czy tych takich…?

S.B.: Różnej. Te elektroniczne nie są badane na taką skalę przemysłową. To dalej są takie raczej laboratoryjne działania. Natomiast gdzieś te nanorurki muszą być i one są najczęściej tam, gdzie ich nie widzimy, nie mówimy o tym na co dzień – czyli wojskowe zastosowania.

K.G.: Pomyślałam też, że takie nanorurki mogą mieć zastosowanie w medycynie – węgiel jest bardzo przyjemnym pierwiastkiem. Skoro opiera się na nim życie, to może jakieś takie implanty biomedyczne albo rurki, stawy, nitki, sklejanie? Tego typu rzeczy.

S.B.: Dotknęła pani bardzo szerokiego spektrum zastosowań nanorurek węglowych. My również pracujemy nad takimi zastosowaniami biomedycznymi. I tutaj rzeczywiście ta paleta jest ogromna, bo początek naszej pracy z nanorurkami węglowymi to było stworzenie takiej hybrydy, gdzie ta nanorurka służy jako taka platforma do zakotwiczenia leku i zamienia się w coś w rodzaju takiej nanoigły, która na swojej powierzchni niesie lek. Ten zakotwiczony lek jest w stanie przejść przez jakąś barierę biologiczną typu błona komórkowa. Najlepiej, żeby to była błona komórkowa np. komórki nowotworowej. I żebyśmy mogli tam skutecznie się wcelować. Jak tego dokonać? No bo wstrzykniemy sobie do krwiobiegu taką hybrydę? Nasz pomysł polegał na tym, że syntetyzując nanorurki węglowe, używa się katalizatora wzrostu, takiego jakby ziarna żelaza. To żelazo zostaje w rdzeniu nanorurki. Żelazo jest pierwiastkiem magnetycznym, w związku z tym za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego można by było sterować taką nanorurką, żeby docelowo ją wstrzyknąć np. w siedlisko komórek nowotworowych.

K.G.: Takim magnesikiem jechać po skórze i przesuwać?

S.B.: Tak, coś w tym rodzaju. Właściwie prace są obecnie na takim etapie, że np. mysz jest wyposażona w taki plecaczek. Niestety, hoduje ona w sobie nowotwór. A w tym plecaczku jest dość silny magnes, który kumuluje takie hybrydy magnetyczne z lekiem i mysz jest w ten sposób leczona. Po prostu dochodzi do zmniejszenia objętości nowotworu.

K.G.: Czyli zamiast się rozjechać po całym organizmie, ten lek jest skumulowany w jednym miejscu – coś, co jest bardzo ważne w medycynie. I jakie są efekty? Lepiej tej myszy?

S.B.: Tak. Mysz miała się całkiem nieźle. Oczywiście to są badania in vivo, ale trudno powiedzieć, jak daleko jesteśmy od człowieka dlatego, że nie do końca jasny jest profil cytotoksyczny samej nanorurki węglowej. Czy ona nie wywołuje np. jakichś lokalnych stanów zapalnych.

K.G.: Węgiel?

S.B.: To wszystko zależy, bo np. azbest wchłaniany drogą oddechową jest bardzo niebezpieczny. Wiadomo, że może się to skończyć źle. Natomiast jeżeli ten sam azbest dostanie się drogą pokarmową, to nie jest niebezpieczny. Podobnie jest tutaj z nanomateriałami – jeżeli robotnik, który pracuje w fabryce syntezującej nanorurki węglowe, będzie się namiętnie inhalował tymi nanorurkami, to niekoniecznie nie wpłynie to na jego zdrowie. Te badania rzeczywiście są bardzo intensywne. Nie dotyczy to tylko i wyłącznie nanorurek węglowych, ale także bardzo różnych nanomateriałów. Część z nich jest już oczywiście skomercjalizowana w medycynie, np. środki kontrastowe do magnetycznego rezonansu jądrowego, czyli tlenek żelaza, Fe3O4 czy nanożele, czy takie układy do dostarczania leków, ale np. do powolnego uwalniania tego leku, w takiej otoczce, kapsułce. I to są jak najbardziej nanomateriały, natomiast ich profil toksykologiczny jest znany i są to układy bezpieczne dla ludzi. A jeśli chodzi o węgiel, to tego do końca nie wiemy.

K.G.: Okej. A czy można też rurkować inne monowarstwy?

S.B.: Tak. Nie można być takim, powiedzmy, węglowym szowinistą. Właściwie wiele, wiele pierwiastków i związków można zwinąć w taki sposób. Mówimy o rurce, ale możemy też mówić o tym, że mamy taką zbitą strukturę, czyli rdzeń jest wypełniony atomami, nie jest pusty. W nanorurce może być tak, że coś w tym rdzeniu jest, a może być próżnia. Może być powietrze, może być jakiś produkt syntezy, może być żelazo, które było z tej syntezy, które może się nam do czegoś przydać. A my możemy tę rurkę otworzyć, bo ona często jest np. zaczopowana. Jest taka półkula, jakby czasza, która jest na tyle reaktywna, że można ją usunąć i do takiej pustej nanorurki coś wprowadzić, np. lek. My pracowaliśmy na takiej zasadzie, że ten lek był kotwiczony na zewnątrz nanorurki, czyli przyczepiony do zewnętrznej strony. Ale może być w środku.

K.G.: Ale jak wy to wszystko robicie? Przecież nie macie takich szczypczyków, żeby ręcznie to zdjąć, włożyć, wstrzyknąć itd. Jak to wygląda?

S.B.: To jest tak, że rzeczywiście, my tego nie możemy monitorować w środowisku, kiedy to się dzieje. Musimy to wszystko robić po fakcie. Czyli mamy pewną wizję tego, co chcielibyśmy zrobić, i później weryfikujemy to metodami analitycznymi, mikroskopowymi. Możemy zajrzeć dość głęboko na rozdzielczości atomowej, możemy się przyglądać poszczególnym atomom.

K.G.: A macie tu taki mikroskop elektronowy?

S.B.: Na Wydziale Chemicznym nie, ale na Politechnice Śląskiej, na Wydziale Mechanicznym Technologicznym jest taki mikroskop.

K.G.: Czyli chodzicie tam z plecakiem z waszymi rzeczami? [śmiech]

S.B.: Rzeczywiście często tak jest. [śmiech]

K.G.: Ale taki mikroskop elektronowy to jest droga rzecz, nie?

S.B.: Droga, ale niestety niezbędna. Jeżeli chcemy podglądać materię właśnie w tej najbardziej bliskiej nam jako chemikom skali, czyli atomowej, to nie możemy go nie mieć.

K.G.: Jasne. To jak w takim razie wygląda praca u was na co dzień w laboratorium? Jak taką rurkę robicie? Na kilogramy? Od czego to się w ogóle zaczyna, skąd ten węgiel? Dzwonicie po niego do górników? Jak to jest? [śmiech]

S.B.: Konkretnie u nas syntezujemy nanorurki węglowe metodą tzw. katalitycznego osadzania z fazy gazowej. Co to znaczy? Bierzemy sobie strzykawkę, dajemy do niej np. dowolny układ, który zawiera w sobie węgiel. Może być np. spirytus, może być toluen, może być roztwór jakiegoś polimeru. Wszystko, co potencjalnie ma węgiel. Oczywiście my wiemy, co najlepiej działa. W naszym przypadku dość dobrze sprawdza się toluen. Takim drugim ważnym komponentem jest ten katalizator wzrostu, coś, co zawiera żelazo. Tym czymś jest ferrocen. On jest krwistego koloru, może nieco bardziej pomarańczowego. Podobnie jak krew jest to kompleks żelaza, jak hemoglobina. Ma nawet podobny zapach. Taki roztwór wtłaczamy ze strzykawki do miejsca, gdzie jest on wstępnie podgrzany. Gaz nośny stanowi napęd tego procesu, czyli wtłoczenia do strefy, gdzie te nanorurki będą rosły. Przed chwilą miała pani ten taki zwinięty dywanik. On się bierze z tego, że ta nanorurka rośnie na rurze. Tym reaktorem jest po prostu rura kwarcowa. Jest ona ogrzana do temperatury siedmiuset sześćdziesięciu stopni i jeżeli strumień tych surowców, tego katalizatora znajdzie się w obszarze gorącej strefy, to dochodzi do takiej atomizacji. Czyli te wszystkie składniki rozpadają się na atomy. Żelazo staje się nanokropelką, w której zaczyna się rozpuszczać węgiel. Przy pewnym stężeniu tego węgla jest tak dużo, że on zaczyna się wytrącać. Jako że kropelka jest okrągła, to wytrąca się w takiej wydłużonej formie z tego jednego miejsca. Czyli kropelka jest na rurze, dochodzi węgiel, nanorurka zaczyna sobie rosnąć od podłoża. Rośnie długo, na tyle, na ile możliwy jest dostęp do tego źródełka, czyli kropelki żelaza. W naszym przypadku możemy hodować sobie takie nanorurki do czterech, pięciu milimetrów. Takie dywany. Tak pokrótce by wyglądała synteza. Oczywiście widzimy je później pod mikroskopem elektronowym. To są właśnie takie struktury, mogą one być nawet spiralne.

K.G.: Taki długowłosy dywan?

S.B.: Tak. One mogą mieć średnice mniejsze, większe, mogą być dłuższe, krótsze itd. Mogą zawierać w sobie żelazo, czasami trzeba je usunąć, czasami trzeba je zachować. Wszystko zależy od tego, co dalej. Podpatrujemy, czy one są twarde, czy to żelazo jest tam dalej obecne, czy udało nam się je usunąć, czy udało nam się coś zakotwiczyć, czy udało nam się otrzymać jakiś kompozyt z ciekawym ułożeniem tych nanorurek. To wszystko jest w naszym zasięgu.

K.G.: Wygląda na to, że jest to na tyle obiecująca przestrzeń, że wiele laboratoriów może śmiało szukać swojego pomysłu na siebie w tej całej branży, prawda? To nie musi być tak, że trzeba być tym największym w zawodzie itd., tylko spokojnie Politechnika Śląska może wymyślać fajne rzeczy na cały świat.

S.B.: Tak, jak najbardziej. Żeby przywołać, ile mniej więcej osób może się tym zajmować w skali globalnej – co roku jest organizowana konferencja dotycząca tylko i wyłącznie nanorurek węglowych. Ona zazwyczaj ma trzystu, pięciuset uczestników, zależy od tego, gdzie, jak i kiedy. Ale to jest mniej więcej jeden procent, może nawet mniej całej tej społeczności. To jest właśnie taka skala. Czyli tych nisz, tych różnych zastosowań jest naprawdę bardzo, bardzo dużo i jest duże pole do manewru.

K.G.: A ja czytałam też, że nanorurki to był taki hit lat dziewięćdziesiątych. Potem gdzieś to trochę przygasło i zdaje się, że teraz powraca. Prawda to?

S.B.: Nanorurki węglowe zostały zaobserwowane przez rosyjskich badaczy w latach pięćdziesiątych. Natomiast pierwszy w tej nowożytnej erze był japoński fizyk Sumio Iijima. W 1991 roku otrzymał w łuku elektrycznym nanorurki węglowe. Pokazał swoją pierwszą krótką pracę i powiedział: słuchajcie, ludzie, z tego będą bardzo ciekawe rzeczy. I rzeczywiście tak było. Cała fizyka bardzo intensywnie się uruchomiła. Podobnie jak z grafenem i wyizolowaniem tej pojedynczej warstwy. To był tylko zaczątek, ta lawina ruszyła i zastosowań jest naprawdę dużo. W samej biomedycynie to są nie tylko nośniki leków, ale także magnetyczny rezonans jądrowy, ultrasonografia, układy kontrastujące, implantologia, czyli np., jeżeli jest staw, obniżamy współczynnik tarcia. I to wszystko mogą być nanomateriały. To jest naprawdę wycinek. Diagnostyka, obrazowanie, cała rzesza różnych długości fali, które mogą zostać zaimplementowane. Tak że jest naprawdę kolosalne pole do popisu.

K.G.: Ale też przez to, że jest to tak różnorodne, trzeba się dokształcać z wielu rzeczy. Właśnie podejrzałam u pana na półeczce, że ma pan poza książkami chemiczno-fizycznymi również książkę o włókiennictwie.

S.B.: Tak. To właśnie m.in. na potrzeby tego projektu z siatkami maskującymi i naszymi koszulkami.

K.G.: Uczył się pan splotów?

S.B.: Może niekoniecznie aż tak głęboko, ale np. bardzo pomocna jest chemia barwników, sposoby nakładania itd.

K.G.: Chciałam jeszcze pana trochę wypytać o zderzenie między wielkimi zapowiedziami a realizacjami. Bo nanorurki węglowe już funkcjonują, coś się z nimi dzieje, ale właśnie ciągle opowiadamy o tym, co one zrobią w przyszłości, że to i tamto. Ja też się na tym łapię, że co chwilę albo czytam o tym, że kolejny materiał coś zrewolucjonizuje, albo sama zadaję takie pytania, czy to będzie wielka rewolucja. Niedawno opublikowałam w Radiu Naukowym odcinek o grafenie z profesorem Andrzejem Wysmołkiem i też trochę tak go zaczepiałam – opowiadaliście o tym grafenie, że za chwilę już po prostu wszystko będzie grafenowe. Czy nie ma trochę rozjazdu między tymi zapowiedziami a realizacjami? Szczególnie jeśli chodzi o takie struktury jak nanomateriały, które zachowują się inaczej niż makroświat, więc w którymś momencie pojawiają się kolejne wyzwania, które wcześniej nie były przewidziane, i nagle ci naukowcy cichną – dobra, musimy trochę ponaprawiać i potem może do was wrócimy.

S.B.: To trochę jest natura współczesnego świata. Może nie do końca jest to wina naukowców – w pewnym sensie trochę tak, ale wynika to bardziej z potrzeby rozreklamowania własnych badań.

K.G.: Może też mediów, które koniecznie muszą pisać o rewolucji.

S.B.: Jest taka krzywa rozwoju – na początku jest wielki entuzjazm, ta krzywa rośnie bardzo stromo, potem jest okres rozczarowania, bo okazuje się, że nie za bardzo to wszystko działa, jak powinno, krzywa opada. Ale potem – i jest tak w większości materiałów – zaczyna się stopniowy wzrost. Czyli odnajduje się pewne właściwości wymagające rozwoju, dopieszczenia itd. Zresztą naukowcy też są krytyczni. Oni sami siebie reklamują, ale dokładnie wiedzą, na czym to polega. Owszem, w tych konkluzjach pisze się, że jeszcze będzie to, jeszcze będzie tamto, ale to jest tak naprawdę tylko pieśń przyszłości. Dopiero wieloletnia weryfikacja to pokazuje.

K.G.: A w tym momencie nanorurki węglowe są w którym miejscu na tej krzywej?

S.B.: Na krzywej stopniowego wzrostu, podobnie jak grafen. One są troszeczkę przesunięte. Grafen wyszedł już z tej doliny.

K.G.: Jesteśmy już po entuzjazmie, jesteśmy po rozczarowaniu, a teraz jesteśmy bliżej racjonalności.

S.B.: Dokładnie, w erze powolnego wzrostu.

K.G.: Jak się zastanowić, to ten węgiel, od którego zaczęliśmy, wokół którego krążymy, to fascynujący pierwiastek, prawda?

S.B.: Tak, żaden inny pierwiastek nie jest taki samolubny. To znaczy, potrafi łączyć się w nieskończoną feerię barw. Bierze się to z jego położenia w układzie okresowym. On tworzy najbardziej stabilne układy, kiedy połączy się sam ze sobą. I oczywiście tych kształtów, wariacji, aranżacji przestrzennych jest naprawdę multum. Nie ma drugiego takiego pierwiastka. Zresztą nie bez przyczyny natura musiała go wybrać jako podstawę życia.

K.G.: Są takie pomysły, że może na krzemie, ale chyba niekoniecznie. Zresztą też o tym w Radiu Naukowym było. Bardzo panu dziękuję za gościnę.

S.B.: Dziękuję bardzo.

K.G.: Pan profesor Sławomir Boncel, Politechnika Śląska gościł Radio Naukowe.

Bardzo dziękuję za wysłuchanie do końca. Przypominam, że na radionaukowe.pl znajdziecie kilka zdjęć obiektów, o których mówił profesor Boncel. Panie profesorze, powodzenia dla pana i całego zespołu. A w kolejnym odcinku numer sto pięćdziesiąt dwa, który będzie miał premierę w okolicach święta Nocy Kupały, opowiemy o magii, magicznych wierzeniach i siłach, które rządziły światem według mieszkańców i mieszkanek dawnej wsi. To będzie odcinek z Lublina. Bardzo polecam, bo zapadłam się w tę rozmowę całkowicie i myślę, że wiele osób też może ją tak odebrać. Wszystkiego dobrego, mądrego, trzymajcie się zdrowo. Wasza Karolina, ściskam.

Dodane:
967

Gość odcinka

Prof. Sławomir Boncel

Prof. Sławomir Boncel

Pracuje w Katedrze Chemii Organicznej, Bioorganicznej i Biotechnologii na Wydziale Chemicznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Zainteresowania naukowe: synteza, fizykochemia i zastosowania nanoalotropów węgla (nanorurki węglowe, grafen, kropki kwantowe): funkcjonalne nanokompozyty, powłoki elektroprzewodzące, kataliza, technologia stealth, systemy dostarczania leków oraz nanopłyny do wymiany ciepła.

Obserwuj Radio Naukowe

Ulubione

Skip to content