Nauka poszła w las nanorurek

- Chemia nie jest trudna - twierdzi Bartosz Kruszka, student UMK, zdobywca „Diamentowego Grantu”. - To tytuły projektów badawczych, także moich, komplikują sprawę. Sporo w nich trudnych słów, np. nanokompozyty, membrany nanorurkowe...

<!** Image 2 align=none alt="Image 188160" sub="W 2011 r. Bartosz Kruszka został finalistą ogólnopolskiego konkursu PAN na najlepszą pracę licencjacką/inżynierską. Jego zainteresowania koncentrują się wokół syntezy i własności adsorpcyjnych nanorurek węglowych. fot. Tymon Markowski">Podobno wystarczy odrobina wyobraźni, żeby zobaczyć nanorurkowy las. Czyżby? I co to takiego? Tym zagadnieniem zajmuje się młody naukowiec, pochodzący z Aleksandrowa Kujawskiego. Konkretnie chodzi mu o zastosowanie nanokompozytów węglowo-węglowych jako membran nanorurkowych do odsalania wody. Sprawa jakże ważna i pilna w kontekście wciąż zmniejszających się zasobów wody pitnej na Ziemi. Badania potrwać mają 3 lata - będzie to także materiał pracy doktorskiej Bartosza Kruszki. Na zgłębienie tematu Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego przyznało studentowi UMK grant w wysokości 200 tys. zł.

Drzewo na płytce

Wprawdzie sam las nanorurkowy wiele nie kosztuje, ale choćby tylko po to, żeby go zobaczyć, trzeba mieć świetnie wyposażone laboratorium (specjalistyczne mikroskopy) i odczynniki. Co z wyobraźnią? Pan Bartosz bierze do ręki papierowe rurki. - Tak wyglądają w powiększeniu nanorurki węglowe - cierpliwie tłumaczy. - Żeby je stworzyć, potrzebuję np. krzemowej płytki. Na nią napalam odpowiedniej grubości warstwę metalu, a potem całość umieszczam w reaktorach. Jeden osiąga temperaturę 550, drugi 700-800 stopni. W reaktorach rozpoczyna się proces syntezy. Do produkcji lasów nanorurkowych, czyli konstrukcji z nanorurek, przypominających swym kształtem drzewo, potrzebuję jeszcze prekursora wzrostu, najlepiej acetylenu albo metanu. Acetylen jest lepszy, ale bardziej reaktywny, więc zdarza się, że nie otrzymuję czystego produktu. Do syntezy wykorzystam jeszcze wodór i argon - pan Bartosz rysuje na kartce chemiczne wzory - i gotowe. Później do ścianek doczepiam grupy funkcyjne (żeby je dodatkowo wzmocnić), wreszcie uzupełniam przestrzenie między nanorurkami. W ten sposób powstanie doskonała, bardzo wytrzymała, membrana. Proste? - uśmiecha się naukowiec. Ma dla nas kolejne rewelacje.

Rosną i skaczą

Podobno las nanorurkowy rośnie zaledwie około 15 minut. Ma około centymetra wysokości (pan Bartosz chce zbadać, dlaczego nie rośnie wyższy). Naukowcy już ten proces sfilmowali. Gdyby nie elektronowy mikroskop transmisyjny o wysokiej rozdzielczości (na Wydziale Chemii UMK jest taki sprzęt), konstrukcji z nanorurek nikt by nie dojrzał. Mówimy przecież o wymiarach w skali nano. Zobaczylibyśmy płytkę z czarnym, węglowym osadem. - Chciałem wytwarzać lasy już wcześniej, ale nie miałoby to sensu, bo dawniej nie mógłbym zobaczyć efektu mojej pracy - mówi chemik. - A te są niezwykłe. Proszę sobie wyobrazić, że pojedyncze nanorurki podczas wzrostu obracają się i podskakują. Robią to (pod wpływem acetylenu), ponieważ na płytce, w czasie wzrostu lasu, zaczyna w końcu brakować miejsca i trzeba stworzyć kolejne piętro z osadzającego się węgla.

<!** reklama>Nanorurki są niezwykle wytrzymałe - prawie sto razy bardziej niż stal! To, m.in., dlatego pan Bartosz pomyślał o wykorzystaniu ich jako składnika filtra oczyszczającego i odsalającego wodę. - Teraz filtry odsalające działają na zasadzie odwróconej osmozy. Minusem tej metody jest niska wydajność, a kraje takie jak Izrael czy Zjednoczone Emiraty Arabskie potrzebują przecież wody bardzo dużo. Ponadto odsalanie osmozowe więcej kosztuje, bo zużywa się przy tym więcej prądu.

Lepsze niż miedź

Nanorurki to jednak nie tylko filtry, membrany. Udowodniono, że doskonale przewodzą prąd (np. jako baterie jonowo-litowe), NASA wykorzystuje je do produkcji wyposażenia statków kosmicznych, świetnie przewodzą światło i są doskonałymi przewodnikami ciepła - lepszymi, niż miedź. Ciekawostka - na Tour de France 2006 Floyd Landis korzystał z roweru, którego konstrukcję wzmocniono nanorurkami. Pozwoliło to zmniejszyć masę ramy roweru do jednego kilograma!

Najwyższą skuteczność wykazują właśnie lasy nanorurkowe, a nie pojedyncze nanorurki. Jedyną osobą na świecie, która uzyskuje lasy, jest profesor Kenji Hata z Japonii. Bartosz Kruszka współpracuje z nim. - Muszę dojść do tego etapu, który on już osiągnął - zapowiada ambitny student.

Czy światowi producenci filtrów zareagują na wieść o jego projekcie badawczym? Pan Bartosz ma taką nadzieję: - Moje badania są pożyteczne dla ludzi, ich wyniki przyniosą wymierną korzyść. Nie potrafiłbym prowadzić całymi dniami teoretycznych rozważań nad jakąś dziedziną, narzekać na zmęczenie i żyć bez świadomości, że zajmuję się czymś pożytecznym - mówi chemik.

Co zrobi z 200 tysiącami złotych, które dostał od ministerstwa? 80 tysięcy zł pochłonie zakup sprzętu, konkretnie reaktora ciśnieniowego, który będzie wykorzystywany do funkcjonalizacji nanorurek, wypełniania ich polimerem i sprawdzania, jak przebiega oddzielanie się soli od wody. 20 tysięcy zł trafi do kasy rektoratu za pośredniczenie w uzyskaniu przez Bartosza Kruszkę grantu. - Wreszcie 2,5 tys. zł miesięcznie będzie moje i sam mogę zdecydować, na co je przeznaczę - mówi naukowiec. - Czy 200 tysięcy to dużo? - zastanawia się. - Gdybym to ja decydował, wydałbym milion! Tylu jest na uczelni mądrych ludzi, którym brakuje sprzętu. Od razu kupiłbym reaktor ALD. Za jego pomocą wspomniane wcześniej płytki krzemowe pokrywałbym jednoatomową warstwą metalu, a nie, jak teraz, warstwą o grubości dwóch nanometrów. Na świecie prowadzi się obecnie badania nad pokrywaniem płytki atomowej warstwą żelaza. Ja chciałbym pójść dalej i uzyskać lasy nanorurkowe właśnie na powierzchni atomowej. Taki reaktor kosztuje jednak 6-7 milionów, nawet nie pamiętam czy złotych, czy euro - śmieje się badacz.

Z dostępnością sprzętu podobno jest w ostatnich latach trochę lepiej. Kiedyś wynik badań trzeba było wysłać np. do Japonii. Po pół roku przychodziła odpowiedź, że nie ma lasu nanorurkowego. Cała praca na nic. UMK kupił więc mikroskop transmisyjny (jeden na cały wydział). Naukowcy czekają w kolejce, żeby z niego skorzystać. W Japonii każdy zespół ma swój mikroskop... - Analiza próbek jest jednak dość szybka - zaznacza pan Bartosz. - Na początku na skaningowym mikroskopie sprawdzam efekty mojej pracy. Dowiaduję się, czy mam lasy, czy zwykle nanorurki i wtedy wrzucam próbkę na transmisyjny mikroskop elektronowy. Na wyniki czeka się około dwóch tygodni...

Chemia to prościzna!

Panu Bartoszowi nie brakuje cierpliwości i wielkiej pasji do pracy. Trudno więc uwierzyć, że w gimnazjum z chemii był kiepski (a planował studiować medycynę, konkretnie chirurgię, zainspirowany serialem „Ostry dyżur”). Test kompetencyjny z chemii (w pierwszej klasie liceum) oblał i to jako jedyny w grupie! - Wtedy się zdenerwowałem, kupiłem książkę do chemii i zbiór zadań. W pół roku nauczyłem się wszystkiego - wspomina. - Ogarnąłem materiał z gimnazjum. Wcześniej, niestety, nikt jasno nie potrafił wyjaśnić mi, o co chodzi w tej chemii. Bardzo ważne jest jednak podejście nauczycieli, a także ćwiczenia, doświadczenia. Pod koniec pierwszej klasy liceum jako jedyny miałem z tego przedmiotu piątkę! To naprawdę nie jest trudne, tylko słownictwo jest bardzo skomplikowane, co może zniechęcić, wystraszyć. Moje nanorurki to prościzna. Uzyskuję rurkę, doczepiam rozgałęzienia, wypełniam puste przestrzenie i już! A mówiąc poważnie, to dopiero początek drogi. Nie wiem, kiedy powstanie filtr oczyszczający bądź odsalający wodę z wykorzystaniem nanorurek...

Abstrakcja

W panu Bartoszu drzemie też artystyczna dusza, choć on pewnie się do tego nie przyzna. Chemik maluje, jego obrazy wiszą w internetowych galeriach. Ostatnio znalazł się kupiec na jeden z obrazów, dodajmy abstrakcyjnych (nie są tak uporządkowane jak świat chemicznych wzorów). Bartosz Kruszka marzył kiedyś o Akademii Sztuk Pięknych. Bitwę sztuki z nauką zdecydowanie wygrała ta druga dziedzina, choć podobno pędzel nie powiedział jeszcze ostatniego słowa...

Warto wiedzieć

Małe jest wielkie

• Nanometr (symbol: nm) - podwielokrotność metra, podstawowej jednostki długości w układzie SI. Jest to jedna miliardowa metra, czyli jedna milionowa milimetra. W notacji naukowej można go zapisać jako 1 E-9 m, oznaczający 0,000 000 001 × 1 m. Rzadko stosowana jest również stara nazwa milimikron. Nazwa przedrostka „nano” pochodzi z języka greckiego - nanos znaczy karzeł.
• Najcieńsze nanorurki węglowe mają średnicę rzędu jednego nanometra, a ich długość może być miliony razy większa. Wykazują niezwykłą wytrzymałość na rozciąganie, mają unikalne własności elektryczne oraz są znakomitymi przewodnikami ciepła. Są badane jako obiecujące materiały do zastosowań w nanotechnologii, elektronice, optyce i badaniach materiałowych. Wytrzymują temperatury do 2800 stopni w próżni i do około 750 stopni w powietrzu.
• Historia nanotechnologii sięga lat 50. XX w., gdy Richard P. Feynman wygłosił wykład „There’s Plenty Room at the Bottom” (w wolnym tłumaczeniu „Dużo zmieści się u podstaw” lub „Tam na dole jest jeszcze dużo miejsca”). Wyobrażał sobie, co trzeba zrobić, by zmieścić 24-tomową Encyklopedię Britannikę na łebku od szpilki i przedstawił koncepcję miniaturyzacji oraz możliwości tkwiące w wykorzystaniu technologii na poziomie nanometrowym.