Nanoszén

A szén különböző módosulatai kiemelt szerepet töltenek be a tudományos fejlődésben évszázadok óta; a 16. században, a jó minőségű grafitból készült első ceruza íráskultúránkra gyakorolt hatásától az Edison szénszálas izzólámpáján át az 1960-as években az űrkorszak nyitányként az űrjárművekhez már használatba vett szénszál erősítésű polimer kompozitokig.

Napjainkban a változatos szerkezetű és tulajdonságú nanoszén képződmények: a fullerének, a szén nanoszálak és nanocsövek ígéretes alkalmazási lehetőségeket kínálnak többek között az energetika, az űrkutatás a biotechnológia, a sport, a környezetvédelem és nem utolsósorban az informatika technológia területén.

A szén nanocsövek (CNT) széles körű alkalmazhatósága tulajdonságaiban rejlik. Ugyanis a szén általában törékeny, de a hexagonális szerkezetű CNT szilárd és hajlékű nanocső vagy villamosan vezető vagy félvezető, azaz tranzisztor készíthető belõle, éppen úgy, mint a célirányosan mikroötvözött szilíciumból, csak éppen annál nagyobb fajlagos sűrűségűt, azaz nagyobb sebességgel működőt!

Napjaink kutatása arra irányul, hogy egyrészt nagy tömegben, gazdaságosan és egyenletes minőségben előállíthatóak legyenek ezek a csövecskék. A vákuumban villamos kisüléssel vagy lézeres porlasztással történő előállítás mellett az ún. kémiai párakondenzációs eljárás fejlesztése ígéretes. Megállapították, hogy szénhidrogének (metán, benzol) 1000°C-os termikus bomlásának eredményeként, a hidrogénárammal katalizátorként áramoltatott vaspor jelenlétében, a korábbinál nagyobb mennyiségben keletkezik CNT, amelynek mérete az influenzavírusénak 1/20-a, átmérő je 10–100 nm, és egy-, két- vagy többrétegű a csövecskék fala.

Másrészt, a kutatások célja a CNT alkalmazásának kiterjesztése. Az első jelentős siker a tölthető lítiumion akkumulátorok élettartamának jelentős növeléséhez fűződik. A korábbi megoldású akkumulátorban a lítiumion-tartalmú anyagot grafitrétegek között tárolták, amelyben a grafitlemezek azért károsodtak, mert kisütés, illetve töltés közben a lemezek ismételten összehúzódtak, illetve kitágultak. Ezért átlagosan 30–40-szer lehetett tölteni ezeket az akkumulátorokat. Ám a grafitlemezeket többrétegű falú nanocsövekre cserélve az akkumulátorok átlagos tölthetősége 700-ra emelkedett. Japánban, napjainkban 900 millió darabot gyártanak évente ezekből az akkumulátorokból. Így például a mobiltelefonokban csak ötévenként kell akkumulátort cserélni!

A CNT kedvező mechanikai jellemzőit műanyag kompozitként hasznosítva, például autóalkatrészek (csillapítók, lökhárítók) gyártásához

azért is beváltak, mert a CNT villamosan vezetővé teszi a műanyagot és ezért – a más erősítésű kompozitokkal ellentétben – az alkatrészek, az acélelemekhez általánosan alkalmazott elektrosztatikus eljárással is jól festhetőkké váltak. A közeljövőben gyártani kezdik az autók szélvédő üvegét CNT-vel erősített tiszta gyantából. Általában az autók tömegének csökkentésével nemcsak az üzemanyag-fogyasztásuk, hanem a károsanyag-kibocsátásuk is csökken. Ezt segítheti a hibrid hajtású autók elterjedéséhez kapcsolódó kutatások is, amelyek a hatékonyabb energiatárolású akkumulátorok kifejlesztésére irányulnak felhasználva a rétegezett falú CNT kedvező tulajdonságait csökkentve az ólom- és más nehézfém-felhasználást.

A Shinshu Egyetem villamosmérnöki tanszéke, magáncégekkel együttműködve, CNT-vel erősített gyantából miniatűr gépelemeket (órákhoz, robotokhoz), például 0,2 mm átmérőjű fogaskerekeket készített.

A közeljövőben jelentős eredmények várhatók a CNT elektronikai alkalmazása terén végzett kutatásoktól is, elsősorban a szilícium-bázisúnál nagyobb tranzisztor-sűrűségű elektronikai elemek, vagy az üveghordozóra rétegelt, elektronforrásként fényt kibocsátó ernyők, színszűrők gyártásától.

A nanoszén biológiai és környezetre gyakorolt hatását ma még kevéssé ismerik, de az első tapasztalatok, mérések azt mutatják, hogy a nanoszén viselkedése a környezetben és a biológiai rendszerekkel kölcsönhatásban nagymértékben eltér a szén természetes változatainak viselkedésétől.

Halakkal végzett kísérletekben például 0,5 ppm nanoszén 48 óra leforgása alatt szignifikáns agykárosodást okozott. A kísérletekben a fullerének megváltoztatták a DNS-szekvenciát, mely öröklődő genetikai elváltozásokhoz vezetett. A halaknál tapasztalt kiemelkedően nagy toxikus és mutagén hatást vízibolhákkal is ellenőrizték. A vízibolhák szinte azonnal az alkalmazást követően elpusztultak. A fullerénekről bebizonyították, hogy kevéssé kötődnek a talajhoz, biológiailag hozzáférhetőek és nagymértékben akkumulálódnak a földigiliszta szervezetében, és a földigilisztára épülő táplálékláncokban.

A nanoanyagok nem csak a táplélékláncon keresztül, hanem direkt módon a sejtbe kerülve is kifejthetik káros hatásukat. Méretüknél fogva akadálymentesen lépnek át azokon a membránokon, melyek mind a részecskék, mind a normális méretű molekulák számára természetes gátat jelentenek.

A nanaorészecskék bejuthatnak a baktériumok és egyéb mikroorganizmusok sejtjeibe, amelyek a környzet és az élő szervezetek temészetes lakóiként szállítják a nanorészecskéket növényekbe, magasabb rendű állatokba, így az ember szervezetébe is.

Tehát a kockázat számottevő lehet és ma még nem pontosan ismert, így nem tehetünk mást, mint fokozott elővigyázatosságot alkalmazunk a gyártásnál, nanoszéntartalmú termékek használatakor és a hulladék kezelésekor.

Remélhetőleg megmarad az irodalom fogságában az a fantazmagória, mely nanoszéntartalmú művörösvérsejtek felhasználásával kíván szupermeneket előállítani. Mindenesetre a hadsereg érdeklődik.