ნახშირბადი და მეცნიერების უახლესი მიღწევები

სიახლე არავისთვის იქნება, თუ ვიტყვით, რომ ნახშირბადი იმ ძირითად ელემენტთაგანია, რომლებსაც ფართოდ იყენებენ ყოველდღიურ ცხოვრებაში. ნახშირბადი ელემენტთა მეოთხე ჯგუფს მიეკუთვნება. პერიოდულ სისტემაში მისი რიგითი ნომერია ექვსი. ნახშირბადი მდგრადი ელემენტია, თითქმის ყველა ელემენტთან შედის რეაქციაში და სასარგებლო და ფართოდ გამოყენებად ნაერთებს წარმოქმნის. ნახშირორჟანგი, მშრალი ყინული, ცეცხლმაქრობი, სითბურად მდგრადი მოწყობილობები, აირის შთამნთქმელი ნახშირბადის გამოყენების მაგალითების მცირე ჩამონათვალია.

ქვემოთ თანამედროვე მეცნიერების უახლეს მიღწევებზე მოგითხრობთ, რომლებმაც კიდევ უფრო გააფართოეს ამ ელემენტის გამოყენების სფერო.

ს

* * *

ბოლო დრომდე ნახშირბადის სამი ძირითადი ნაირსახეობა (ალოტროპია) იყო ცნობილი: გრაფიტი, ალმასი და ამორფული ნახშირბადი. მეოცე საუკუნის მიწურულს აღმოაჩინეს ფულერენი (1985) – ნახშირბადის მოლეკულა, რომელსაც ღრუ სფეროს1 (ნახ. 1), ელიფსის ან მილაკის (ნახ. 2) ფორმა აქვს – და ნახშირბადის ნანომილაკი2 (1991) – ღრუ ცილინდრი, რომელიც ნახშირბადის ატომების თხელი ფენისგან შედგება და რომლის დიამეტრი 1 ნანომეტრია.

ს1

ოცდამეერთე საუკუნეში (2004) მათ გრაფენი3 (ნახ. 3) შეემატა. საშუალო სკოლიდან ვიცნობთ მყარი სხეულების მოლეკულურ სტრუქტურას – კრისტალურ მესერს, ატომების სიმეტრიულ სივრცულ უსასრულო განლაგებას, რომელსაც უზრუნველყოფს ატომებს შორის უხილავი ბმები. გრაფენის განმასხვავებელი ნიშანი ის არის, რომ მისი სტრუქტურა სამგანზომილებიანი კი არა, არამედ ბრტყელი, ორგანზომილებიანია. ეს ნიშნავს, რომ გრაფენი წარმოადგენს სიბრტყეზე განლაგებული ატომების ფენას. ატომები ქმნის ექვსკუთხედს, ხოლო გრაფენის სისქე ატომის დიამეტრს უტოლდება.

ს2

მართალია, გრაფენი 2004 წელს აღმოაჩინეს (უფრო ზუსტად, შექმნეს), მაგრამ ამ აღმოჩენას ხანგრძლივი სამეცნიერო საქმიანობა უძღოდა წინ. 1947 წელს კანადელმა მეცნიერმა ფილიპ უოლესმა შეისწავლა გრაფიტის (რომლის მოლეკულური სტრუქტურაც ასევე ბრტყელია) ელექტრული თვისებები. მისმა კვლევამ მაშინვე მიიპყრო მეცნიერთა ყურადღება. ნობელის პრემიის ლაურეატმა, ქიმიკოსმა ლაინუს პოლინგმა, 1960 წელს გამოთქვა მოსაზრება ნახშირბადის თხელი ფენის ყოფაქცევის შესახებ. სახელწოდება „გრაფენი“ კი 1962 წელს შემოიღო გერმანელმა მეცნიერმა ჰანს-პიტერ ბიომმა, რომელმაც ეს სტრუქტურა ელექტრონულ მიკროსკოპში შეამჩნია. თეორიული კვლევები კიდევ რამდენიმე ათეულ წელიწადს გაგრძელდა, ვიდრე მანჩესტერის უნივერსიტეტში მომუშავე რუსმა ფიზიკოსებმა ანდრე გეიმმა და კონსტანტინ ნოვოსელოვმა 2004 წელს ფიზიკურად არ მიიღეს გრაფენი. მათ გამოიყენეს წებოვანი ლენტი გრაფიტიდან თხელი ფენის ასაძრობად, მერე კი ეს ლენტი რამდენჯერმე დაკეცეს და გაშალეს, რათა უფრო მეტად გაეხლიჩათ გრაფიტის ფენა. საბოლოოდ მათ მიიღეს ფენა, რომლის სისქე ნახშირბადის ატომის ზომისა იყო. სწორედ ეს გახლდათ გრაფენი. ოთხი წლის შემდეგ მანჩესტერელ მეცნიერთა ჯგუფმა მიიღო გრაფენის ტრანზისტორი, რომლის სისქე ერთი ატომის დიამეტრის ტოლია, ხოლო სიგანე – ათი ატომის დიამეტრის ტოლი. 2010 წელს ანდრე გეიმს და კონსტანტინ ნოვოსელოვს ამ აღმოჩენისთვის ნობელის პრემია მიანიჭეს.

რა თვისებებით გამოირჩევა გრაფენი? ეს არის საოცრად სუფთა ნივთიერება, რაც მისი მარტივი მოწესრიგებული სტრუქტურის დამსახურებაა. ნახშირბადი ლითონი არ არის, მაგრამ გრაფენი უფრო მეტად ლითონის თვისებებს ამჟღავნებს. გრაფენი ძალიან მტკიცე ნივთიერებაა, ფოლადზე დაახლოებით 200-ჯერ მტკიცე, და, ამავე დროს, ძალზე ელასტიკური – შესაძლებელია მისი გაჭიმვა სიგრძის 20-25 პროცენტით. ის, როგორც ვთქვით, ძალიან თხელია და მსუბუქი – ფეხბურთის მოედანი შეიძლება დაიფაროს გრაფენის ფენით, რომლის მასა დაახლოებით ერთი გრამი იქნება. გრაფენის სითბური გამტარობა მრავალჯერ აღემატება ისეთი ნივთიერებების გამტარობას, როგორებიცაა ვერცხლი და სპილენძი, ელექტროგამტარობა კი სპილენძისას. ამ კუთხით ის ძლიერ კონკურენციას უწევს ზეგამტარებს, რომელთა ზეგამტარობა ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე მჟღევნდება, მაშინ როდესაც გრაფენი ოთახის ტემპერატურაზე ამჟღავნებს ამ თვისებას.

გრაფენი სინათლესაც ატარებს – მისი სტრუქტურა ფოტონს საშუალებას აძლევს, ადვილად განჭოლოს ამ ნივთიერების ფენა. გრაფენში გაივლის სინათლის 97-98 პროცენტი, მაშინ როდესაც ერთმაგი მინის შუქგამტარობა 80-90 პროცენტს არ აღემატება.

ამრიგად, გრაფენში თავმოყრილია სხვადასხვა ნივთიერების თვისებები, რაც მას ფასდაუდებელს ხდის, განსაკუთრებით – ელექტრომოწყობილობებში, ენერგოეფექტურ მოწყობილობებში და სხვა. წარმოიდგინეთ, რა შესაძლებლობები შეიძლება ჰქონდეს ნივთიერებას, რომელიც ზეთხელი, ზემსუბუქი, ზემტკიცე, ოპტიკურად, სითბურად და ელექტრულად ზეგამტარია. იმის გარკვევა, არის თუ არა გრაფენი ერთადერთი ნივთიერება, რომელსაც ყველა ეს თვისება აქვს, მომავლის საქმეა.

* * *

2014 წლის ივლისში დიდი ბრიტანეთის ქალაქ ფარნბოროში გამართულ უდიდეს ავიასალონზე დიდი ბრიტანეთის ეროვნული ფიზიკის ლაბორატორიისა და კომპანია „სურეის ნანოსისტემების“ მეცნიერთა ჯგუფმა წარმოადგინა ახალი ნივთიერება ვანტაბლეკი. სახელწოდება მიღებულ იქნა სიტყვების Vertically Aligned NanoTube Arrays („ვერტიკალურად განლაგებული ნანომილაკების წყება“) აბრევიატურისა და სიტყვა Black-ის („შავი“) შეერთებით. ნივთიერებამ გამოჩენისთანავე მიიპყრო საყოველთაო ყურადღება სამეცნიერო და კომერციულ წრეებში.

ვანტაბლეკი წარმოადგენს ნახშირბადის ნანომილაკებს, „დანერგილს და აღმოცენებულს“ ალუმინის კილიტაზე. ნანომილაკები ისეა დალაგებული, რომ ფოტონებს მათ შორის შეჭრა შეუძლია, ხოლო მრავალჯერადი არეკვლის შემდეგ ხდება მათი შთანთქმა, მაშასადამე, სითბოდ გარდაქმნა. ნანომილაკების კედლები იმდენად თხელია, რომ თავისუფალი რჩება საკმაოდ დიდი სივრცე – ფოტონები სწორედ ამ სივრცეში შთაინთქმება. თვით ნანომილაკების მოცულობა მთელი ფენის 0.05%-ს შეადგენს. შესაბამისად, ფენაზე დაცემული სხივების მიზერული ნაწილი თუ შეიძლება დაეჯახოს ნანომილაკის კიდეს და აირეკლოს მისგან, ამიტომ დაცემული გამოსხივების უდიდეს ნაწილს – 99.965-ს – ვანტაბლეკი შთანთქავს.

ვანტაბლეკით დაფერილი ალუმინის კილიტა

ს3

ამრიგად, ვანტაბლეკი ყველაზე შავი ნივთიერებაა, რომელიც კი ოდესმე შექმნილა. ის ყველაზე ახლოს არის შავ ხვრელთან. აღსანიშნავია, რომ ვანტაბლეკი შთანთქავს გამოსხივების როგორ ხილულ, ისე უხილავ სპექტრსაც.

გამოსხივების შთანთქმის წარმოუდგენელ უნართან ერთად, ვანტაბლეკს სხვა გამორჩეული თვისებებიც აქვს:

  1. ძალიან მსუბუქია – მისი ერთი კვადრატული მეტრის მასა დაახლოებით 2.5 გრამს შეადგენს. ვანტაბლეკის საფარის სისქე დაახლოებით 20-30 მიკრონის ტოლია.
  2. ძალიან ელასტიკურია. ძალიან მაღალია მისი დრეკადობის მოდული, რაც მეტად მნიშვნელოვანია დარტყმის ან ვიბრაციის დროს.
  3. პრაქტიკულად არ ხდება მისი აქროლა.
  4. მტკიცედაა დაკავშირებული ფუძესთან (ალუმინთან), ამიტომ დარტყმის, ვიბრაციისა თუ ტემპერატურის ცვლის შემთხვევაშიც კი ძნელად შორდება.

ვანტაბლეკის გამოყენების არეალი ძალზე ფართოა. კერძოდ, მას უკვე იყენებენ:

  1. ოპტიკურ სისტემებში გაბნეული სინათლის ჩასაქრობად. გაბნეული სინათლე ამცირებს ოპტიკური სისტემების ეფექტურობას, ამიტომ მის ჩასაქრობად სხვადასხვა მეთოდს იყენებენ. ვანტაბლეკი ამ მხრივ იდეალურია;
  2. კოსმოსურ აპარატებში როგორც დარტყმის, ვიბრაციის, მაღალი ტემპერატურის მიმართ მედეგ ნივთიერებას;
  3. მზის ენერგიის დასაგროვებლად. მზის ენერგია, როგორც ცნობილია, შავ ზედაპირზე გროვდება. ვანტაბლეკს აქ კონკურენტი არ ჰყავს;
  4. სპექტროსკოპიის გასაუმჯობესებლად გაბნეული სინათლის მკვეთრად შემცირების უნარის გამო;
  5. ინფრაწითელი ოპტიკური სისტემების ხარისხის გასაუმჯობესებლად, რომლებსაც კოსმოსშიც იყენებენ;
  6. როგორც თბოსაიზოლაციო საშუალებას მიკრომექანიკური და ელექტროსისტემების მაღალი ტემპერატურისგან დაცვის მიზნით.

ვანტაბლეკის შთანთქმის უნარი შესაძლებლობას იძლევა, შეიქმნას სამოსი რადიაციული გამოსხივებისგან ადამიანის დასაცავად.

აღსანიშნავია, რომ სინათლის შთანთქმის ძლიერი უნარის წყალობით ადამიანი ვანტაბლეკს აღიქვამს არა როგორც შავ ნივთიერებას, არამედ როგორც არაფერს, უფსკრულს, ამასთან, ორგანზომილებიანს და არა სამგანზომილებიანს. ვანტაბლეკით დაფარული სფერო სიბრტყედ აღიქმება.

დასასრულ, შევნიშნავთ, რომ კომპანია „სურეის ნანოსისტემებმა“ შეიმუშავა ვანტაბლეკის მიღების ახალი, შესხურების მეთოდი, რომელიც საშუალებას იძლევა, ამ ნივთიერებით დაიფაროს არა მარტო ალუმინის, არამედ სხვა ნივთიერებათა ზედაპირიც.

გამოყენებული რესურსები:

  1. http://www.chm.bris.ac.uk/webprojects2002/knowles/
  2. http://www.carbonallotropes.com/6-carbon-nanotubes
  3. http://www.indium.com/blog/graphene-an-unlikely-candidate-to-replace-ito-in-flat-panel-displays.php
  4. https://www.surreynanosystems.com/media/images-videos

კომენტარები

comments