Huszonöt éve fedezték föl a fullerént, a szén harmadik határozott szerkezettel rendelkező módosulatát. Az apró futball-labdát idéző molekulák egy egész tudományterület, a nanotechnológia alapjául szolgáltak, és addig soha nem látott tulajdonságú anyagok, például a grafén létrejöttét tették lehetővé.
A grafén és testvérei
A szénalapú nanoszerkezetek mindegyike a grafénból, az egyatomnyi vastagságú szénlemezből eredeztethető, amelyben a méhsejtekre emlékeztető formában kapcsolódnak egymáshoz az atomok (bal fölső ábra). A grafitot egymásra rétegzett grafénlapokként képzelhetjük el (jobb fölső ábra). A rétegeit nagyon gyenge kötések tartják össze, emiatt könnyen leszakadnak, amikor a grafitceruza a papíron siklik, és a lapon maradnak. Ha a grafént hengerszerűen feltekerjük, nanocsöveket kapunk (bal alsó ábra). Felfedezésükkor azt gondolták, hogy segítségükkel megújítható lesz a számítástechnika. Végül pedig a történet kezdete: a huszonöt évvel ezelőtt felfedezett futball-labdaszerű buckminsterfullerén (jobb alsó ábra).
Sportmagazinokat megszégyenítően előkelő helyet foglaltak el a labdák a Nature tudományos folyóirat 1985 novemberében megjelent számában. Harold Kroto, Robert Curl és Richard Smalley ugyanis ekkor közölték tanulmányukat egy újonnan felfedezett szénmolekuláról. Az elemi szénnek addig csak két szabályos formáját, a grafitot és a gyémántot ismerték, de már a múlt század hatvanas éveitől kezdve sokan felvetették, hogy üreges szénmolekulák is lehetnek stabilak. Végső felfedezőit azonban meglepetésként érte, amikor a kísérletük végén rábukkantak a fullerénekre.
– A felfedezők eredetileg a csillagközi por tulajdonságait akarták vizsgálni. Minthogy nem állt rendelkezésükre űrhajó, megpróbálták e port laboratóriumban reprodukálni. A csillagközi porban a hidrogén és a hélium mellett szénatomokból álló fürtök is vannak – mondja Bíró László Péter, a Magyar Tudományos Akadémia (MTA) Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézete (MFA) nanoszerkezetek osztályának tudományos tanácsadója. – Ezek előállításához kisnyomású héliumban elektromos ívet hoztak létre. Az ív magas hőmérsékletén a szén elgőzölgött, majd a gőzből „kimosták” a kialakult szénfürtöket. Tömegspektrométerben megmérték a szénatomok számát bennük, és azt tapasztalták, hogy a legtöbbet hatvan szénatom alkotja.
Rájöttek, hogy csak akkor lehet ilyen gyakori a hatvanatomos fürt, ha a szerkezete stabil. Hosszas kutatások után, 1985 szeptemberében, tíz nap alatt végezték el a bizonyító erejű kísérletsorozatot. Kiderült, hogy a hatvan szénatomos fullerénmolekula alakja megegyezik a hagyományos futball-labdáéval, amelynek felületét tizenkét szabályos ötszög és húsz szabályos hatszög alakú lap alkotja.
Az első molekulát buckminsterfullerénnek nevezték el, tisztelegve Richard Buckminster Fuller építész előtt, aki futball-labdához hasonló szerkezetű kupolákat tervezett. A kissé hosszú nevet lerövidítve a molekulát buckylabdának hívták maguk között a kutatók, akik 1996-ban kémiai Nobel-díjat kaptak felfedezésükért. Azóta már több, akár ötszáznegyven, de mindig páros számú szénatomot tartalmazó fullerénmolekulát is felfedeztek.
Kiderült, hogy számos helyen előfordulnak e molekulák. Nemcsak a csillagközi porban, hanem a dízelautók kipufogógázában is. Ezzel a fullerén ára is a töredékére esett. Ma már nagy tömegben állítják elő szénhidrogének oxigénhiányos közegben történő elégetésével. Ipari előállítása azért vált szükségessé, mert különleges mechanikai tulajdonságai (a könnyűség, a rugalmasság és az erősség ideális együttese) miatt számos helyen alkalmazzák már ma is. A nagy tömegben fekete pornak látszó fullerént például sporteszközök, tenisz- és golfütők készítésére használják.
A fullerén indította el a szénalapú nanoszerkezetek forradalmát.
– Ha egy gömb alakú fullerénmolekulát gondolatban félbevágunk, majd a két félgömb közötti távolságot hengerré csavart, egy atom vastagságú grafitlappal, azaz grafénnel töltjük ki, akkor kapjuk a szénnanocsöveket – érzékelteti a nanocsövek szerkezetét Bíró László Péter. – Ezek még izgalmasabbak voltak. Megőrizték a fullerén mechanikai tulajdonságait, de elektromos viselkedésük is rendhagyó volt, így nagy reményeket fűztek ahhoz, hogy alkalmazni lehet majd őket a mikroelektronikában. El is készültek a nanocsövekből álló tranzisztorok prototípusai, de problémák is felmerültek.
A legnagyobb gond az volt, hogy – ahogy a nevük is mutatja – a nanocsövek rendkívül kicsik, az átmérőjük egy nanométer (a milliméter egymilliomod része), így kezelésük legalábbis hatalmas kihívást jelent. Még jelenleg is megoldatlan ezenkívül, hogy olyan csövecskéket állítsunk elő, amelyekben ugyanolyan irányban helyezkednek el a szénatomok egymáshoz képest, ez ugyanis alapvetően meghatározza a tulajdonságaikat (az MFA honlapján számos nanoszerkezet térhatású modelljét tekinthetik meg olvasóink: http: //www.nanotechnology.hu/magyarul.html). Bár a nanocsövekkel jelenleg is folynak kutatások, a tudományos közvélemény érdeklődése egyre inkább az új sztár, a grafén felé fordult. Épp az idén kaptak érte felfedezői Nobel-díjat, pedig alig öt éve állították elő először ezt az egy atom vastagságú lapot. A mérések szerint ez a legerősebb létező anyag, jól vezeti az áramot és mindennél jobban a hőt. Bár teljesen átlátszó, a legkisebb atomok sem képesek átjutni rajta.
– Mi is végigmentünk a nanoszerkezetek során. Először a fullerénnel, majd a nanocsövekkel foglalkoztunk, míg eljutottunk a grafénig. A világon elsőként igen keskeny szalagokat tudtunk kivágni a grafénból, ami elengedhetetlen a majdani számítástechnikai alkalmazásához – mondja Bíró László Péter.
Hazánkban a milliméter töredékével mérhető szerkezetekkel foglalkozó nanotechnológia gyakorlati alkalmazásait több kutatóhelyen is vizsgálják. Az MTA Kémiai Kutatóközpontjának (KK) biológiai nanokémia-osztályán például a Nanodrug kutatási program keretében gyógyszerek célzott célba juttatására alkalmas nanoszerkezetek tulajdonságait, lehetőségeit kutatják biotechnológiai vállalkozásokkal együttműködve. A daganatos megbetegedések kezelése például igen nehéz hagyományos gyógyszerekkel. A gyógyszer kis része jut el a daganatba, miközben a célt tévesztett molekulák károsítják az egészséges szöveteket, így jelentős a mellékhatásuk. Szükség lehet tehát a gyógyszert a tumorhoz szállító eszközökre. A nanoszerkezetek alkalmasak lehetnek erre.
– A mi csoportunk különböző nanoszerkezeteket, nanopartikulumokat (nanorészecskéket – M. Cs.) tervez, amelyek alkalmasak lehetnek gyógyszermolekulák szállítására – mondja Lőrincz András biológus, az MTA KK munkatársa. – Ilyen nanohordozó lehet például liposzóma, amelyet a sejthártyára emlékeztető fallal bíró, körülbelül száz nanométer átmérőjű gömbként lehet elképzelni. A nanohordozók számos anyagból felépülhetnek, például nemesfémekből vagy különböző fémoxidokból. A hatóanyag a liposzóma belsejében, szilárd hordozónál a felülethez kapcsolva jut el a céljához. A nanohordozók felületén a daganatsejt megtalálását, a pontos célzást elősegítő molekulákat is köthetünk. Azt vizsgáljuk a tervezés során, hogy az így létrehozott szerkezetek kellően biztonságosak-e, és teszteljük, hogy a hatóanyagokat valóban feldúsítják-e a daganatban.
Bár ezek az apró, gyógyszert hordozó eszközök a tudományos fantasztikum világát idézhetik, közülük néhányat már alkalmaznak az orvosok, vagy a klinikai kipróbálás fázisában vannak. De ez nem minden. A nanoszerkezetek hasznosak lehetnek a szervezetet mérgező szabad gyökök összegyűjtésében, a szöveteken áthatoló infravörös fénnyel megvilágítva őket felforrósodnak, és jó pontossággal pusztítják a daganatos sejteket, de a vízzel telítődő nanorészecskék a vérzést is csillapíthatják a balesetet szenvedett pácienseknél.
2010. november 27.
