Фуллерен ба нүүрстөрөгчийн наногуурс

            Бүр Демокрит өөрийн ертөнцийн атомт бүтцийн тухай сургаалдаа орчлон хорвоо нь өөр хоорондоо онцгой шинж чанаруудаараа ялгагддаг химийн элементүүд хийгээд тэдгээрийн нэгдэл болох олон тооны “тоосго”-нуудаас тогтдог гэдэгт анхаарлаа хандуулсан байдаг. “Ертөнцийг бүтээгч тоосго” болгоны шинж чанар өөр өөр байдагтай адил тэдгээрийн түүх ч адилхан биш юм. Зэс, төмөр, хүхэр, нүүрстөрөгч зэрэг элементийг балар эрт цагаас мэддэг байсан. Бусад элементийн нас нь дөнгөж хэдхэн зуун жилээр хэмжигддэг хэдий ч тэдгээрийг нээхгүйгээр хүн төрөлхтөн үргэлж ашиглаж ирсэн (жишээ нь, хүчилтөрөгчийг XVIII зуунд л нээсэн). Гуравны нэгийг нь 100-200 жилийн өмнө нээсэн хэдий ч тэдгээр нь одоо л хамгийн чухал болж байна. Түүнд уран, хөнгөн цагаан, бор, литий, бериллий гэх мэт элементүүд хамаарна.

            Үлдсэн дөрөв дэх хэсгийн хувьд намтар түүх нь сая л эхэлж байна...   

            1985 онд Роберт Керл, Гарольд Крото, Ричард Смолл нар огт санамсаргүйгээр зарчмын хувьд нүүрстөрөгчийн шинэ нэгдэл болох судалгааны бүхэл бүтэн давалгааг бий болгосон хосгүй шинж чанартай фуллеренийг нээсэн. 1996 онд тэд фуллеренийг анхалж нээсний төлөө Нобелийн шагнал хүртсэн. Фуллерений молекулын үндэс бол нүүрстөрөгч юм. Энэ элемент ихэнх элементтэй нэгдэж, янз бүрийн найрлага ба бүтэц бүхий молекул үүсгэх чадвараараа гоц ялгардаг. Дунд сургуулийн химийн хичээлээс бид нүүрстөрөгч бал чулуу ба алмаз гэдэг хоёр үндсэн аллотроп төлөвтэй гэдгийг мэднэ. Тэгэхээр фуллеренийг нээснээр нүүрстөрөгч бас нэг аллотроп төлөвтэй болсон гэж хэлж болно. Эхлээд бал чулуу, алмаз, фуллерений молекулын бүтцийг авч үзье.

            Бал чулуу үеэлсэн бүтэцтэй. Түүний үе болгон би биетэйгээ зөв зургаан өнцөгт үүсгэн ковалентаар холбогдсон нүүрстөрөгчийн атомуудаас тогтдог.   

               18-р зураг. Бал чулууны бүтэц

            Харин үеүд сул Ван-дер-Ваальсийн хүчээр тогтож байдаг. Ийм учраас үеүүд бие биеийнхээ дагуу хялбархан гулсдаг. Үүний жишээ нь ердийн харандаа юм. Балаар цаасан дээгүүр зурахад үеүүд бие биеэсээ “хууларч” мөр үлддэг.

            Алмаз гурван хэмжээст тетраэдр бүтэцтэй. Нүүрстөрөгчийн атом болгон бусад дөрөвтэйгээ ковалентаар холбогддог.

 

          19-р зураг. Алмазийн бүтэц 

Кристалл тор дотор бүх атом бие биеэсээ адилхан зай (154 нм)-д байрладаг. Атом тус бүр нь бусадтайгаа шууд ковалент холбоосоор холбогдож ямар ч хэмжээтэй кристалл дотор нэг асар том макромолекулыг үүсгэдэг. Өндөр энергитэй ковалент C  C холбоосын ачаар алмаз дээд зэргийн бат бөх байдаг учир ба зөвхөн эрдэнийн чулуу маягаар төдийгүй бас металлыг зүсэх, өнгөлгөөний багажийг бэлтгэхэд түүхий эд болгож ашигладаг (уншигчд янз бүрийн металлын алмазан боловсруулалтын тухай сонссон байлгүй).            

            Фуллерен нь уран барилгад төсөөтэй бүтцийг ашиглахыг бодож олсон архитекторч Бакминстер Фуллерийн дурсгалд ингэж нэрлэгдэх болсон (ийм учраас тэдгээрийг бас бакибол гэж нэрлэдэг). Фуллерен тав-ба зургаан өнцөгтийн хэлбэртэй “зүйлт”-ээс тогтдог хөл бөмбөгтэй маш төсөөтэй араг ясан бүтэцтэй байдаг. Хэрвээ энэ олон талтын оройнуудад нүүрстөрөгчийн атом байрладаг гэж төсөөлбөл, бид хамгийн тогтвортой фуллерен C₆₀ ийг гарган авна. C₆₀ молекул илүү танигдсан, бас фуллерены гэр бүлийн хамгийн тэгш хэмтэй төлөөлөгч бөгөөд зургаан талтуудын тоо нь 20.

     

                                                           20-р зураг. Фуллерены бүтэц

Энэ үед таван өнцөгт болгон зөвхөн зургаан өнцөгтэй хиллэдэг, харин зургаан өнцөгт болгон зургаан өнцөгт болон таван өнцөгтэй гурав гурван ерөнхий талтай байдаг. Ийм нүүрстөрөгчийн “бөмбөг”-ны доторх нь хөндий байдаг нь фуллерений молекулын бүтцийг сонирхолтой болгодог ба энэ хөндийд капилляр шинж чанарын үрээр өөр бодисын атом молекулыг оруулж болдог. Энэ нь, жишээлбэл, зарим бодисыг аюулгүй тээвэрлэх боломж олгодог.

            Яваандаа 36-аас 540 хүртэл нүүртөрөгчийн атомын өөр өөр тоотой молекулууд бүхий фуллеренуудыг синтезлэн судалсан.

                                     21-р зураг. Фуллерены төлөөлөгчид:a) C₆₀ b) C₇₀ c) C₉₀ 

                Гэсэн ч нүүрстөрөгчийн араг ясан бүтцийн олон хэлбэрүүд дуусаагүй л байна. 1991 онд Японы профессор Сумио Лижима наногуурс хэмээх нэр авсан урт нүүрстөрөгчийн цилиндрийг нээсэн.

            Наногуурс-диаметр нь ойролцоогоор нанометрээр, урт нь хэдэн арван микрон хэмжээтэй хоолой болох нүүрстөргчийн сая гаруй атомаас тогтсон молекул юм. Хоолойн ханан дахь нүүрстөрөгчийн атомууд зөв зургаан өнцөгтийн оройнуудад байрладаг.

                                                       22-р зураг. Наногуурсын бүтэц

            Наногуурсын бүтцийг дараахь маягаар төсөөлж болно. Үүнд: бал чулууны үеийн хавтгайг авч түүнээс зурвас үеийг тасалж, түүнийг цилиндр үүсгэн “хуулдаг” (бодит байдалд наногуурс тэс өөрөөр ургадаг нь ойлгомжтой юм). Бал чулууны хавтгайг авч цилиндр болгон хуйлахаас хялбар юм юу байх вэ гэж бодогдмоор. Гэтэл наногуурсийг туршилтаар нээх хүртэл  урьдчилан таамаглаагүй. Тэгэхээр эрдэмтэд тэдгээрийг зөвхөн судлах, гайхшрах л үлдэж байна. Харин юунд гайхамшиг нь байна гэвэл хүний үснээс 100 мянга дахин нимгэн энэ гайхалтай  наногуурс нь гоц бат бөх материал байлаа. Наногуурс нь гангаас зургаан дахин бага нягттай, 50-100 дахин бат бөх байдаг! Наногуурсын хувьд деформацийг даах түвшин болох Юнгийн модуль ердийн нүүрстөрөгчийн мяндсаас хоёр дахин их. Өөрөөр хэлбэл, гуурсан хоолой зөвхөн бат бөх төдийгүй, уян налархай. Энэ шинж чанараараа хугарамтгай сүрэлтэй адилгүй, харин хатуу резинтэй төстэй. Критикээс давсан механик хүчдэлийн нөлөөн доор наногуурс “урагдахчгүй”, “хугарахчгүй”, харин зүгээр л бүтцээ сэргээн өөрчилж нэн жигтэй байдаг! Наногуурсны ийм  ер бус шинж чанарыг өндөр температур, вакуум, олон химийн бодисоос эмээдэггүй, адилхан эзэлхүүнтэй ч биологийнхоос арав дахин хүчтэй байж болох хиймэл булчинг бүтээхэд ашиглаж болно. Наногуурсаар гал сөнөөгч болон сансрын нисэгчдын хөдөлгөөнд саад болдоггүй хувцасыг оёх зориулалттай  хэт хөнгөн, хэт бат бөх композит материалуудыг бүтээж болно. Дэлхийгээс сар хүртэлх ганц гуурсаар бүтээсэн нанокабелыг намуун цэцгийн үрийн хэмжээ бүхий дамарт ороож болох талтай. Наногуурсаар үйлдсэн 1 мм диаметртэй богинохон утас  хувийн массаас нь хэдэн зуун миллиард дахин их  20 тонн ачааг дааж чадна.

            Орчин үед наногуурсны хамгийн их урт арав ба зуун микрон хүрч байгаа нь үнэн бөгөөд атомын масштабаар бол маш их гэдэг нь ойлгомжтой, гэвч өдөр тутмын хэрэглээнд хэтэрхий бага юм. Гэсэн ч гарган авсан наногуурсны урт байнга өсч байна. Эрдэмтэд аль хэдийн сантиметрийн зааг руу ойртсон байна. Гарган авсан олон үет наногуурсны урт 4 мм. Ийм учраас  ойрын ирээдүйд эрдэмтэд метр, түүнчлэн зуун метр урттай наногуурс ургуулж сурна гэдэгт найдах бүх үндэслэл байна. Энэ нь ирээдүйн технологид хүчтэй нөлөөлөх нь гарцаагүй: зуу зуун килограмм ачааг даах чадвартай хүний үснээс мянга дахин нарийн үл үзэгдэх “трос” тоолж баршгүй олон хэрэглээтэй байх болно.

            Наногуурс нэг ба олон үет, шугаман ба спираль гэх зэрэг тоо томшгүй олон янзын хэлбэртэй байдаг. Түүнээс гадна тэдгээр нь байж боломгүй олон янзын цахилгаан, соронзон, оптик шинж чанартай байдаг.

            Жишээлбэл бал чулууны хавтгайн (мушгирах) хуйлагдах тодорхой схемээс хамаарч наногуурс нь цахилгаан дамжуулагч ч байж болно, хагас дамжуулагч ч байж болно. Наногуурсны электрон шинж чанарыг гуурсны дотор өөр бодисын атомыг оруулах замаар хүссэнээрээ өөрчилж болно.

            Фуллерен ба наногуурсны доторх хөндий нь эрдэмтдийн анхаарлыг аль хэдийнээ татсан. Хэрвээ фуллерений дотор ямар нэг бодисын атом (энэ процесс “интеркаляц”, өөрөөр хэлбэл “шигдэх” гэсэн нэртэй)-ыг нэвтрүүлж чадвал энэ нь түүний цахилгаан шинж чанарыг өөрчилж, түүнчлэн тусгаарлагчийг хэт дамжуулагч болтол хувиргаж болно гэдгийг туршилтууд харуулсан.

            Ийм маягаар наногуурсны шинж чанарыг ч гэсэн ингэж өөрчилж чадах болов уу? гэвэл чадна. Эрдэмтэд наногуурсны дотор гадолинийн атом дотроо агуулсан фуллереныг бүхэл бүтэн цувааг байрлуулж чадсан. Ийм ер бусын бүтцийн цахилгаан шинж чанар нь ердийн нанохоолой, хөндий дотроо фуллерентэй наногуурсны аль алиныхаас эрс ялгаатай байдаг. Ийм нэгдлийн хувьд тусгайлсан химийн тэмдэглэгээг боловсруулсан нь сонирхолтой. Дээр тайлбарласан бүтцийг Gd@C60@SWNT гэж бичдэг, энэ нь дан ханатай наногуурс (Single Wall NanoTube)-ийн доторх C60-ийн дотор Gd байна гэсэн утгатай.

            Ийм ердийн химийн найрлагатай ямар нэг өөр материал наногуурсанд байдаг тэдгээр шинж чанарын өчүүхэн хэсгээр гайхуулж чадах болов уу? Тэдгээрийн боломжит хэрэглээний цар хүрээ маш өргөн. Зөвхөн хэдхэн жишээ татъя.

            Наногуурсаар, жишээ нь, микробагажинд зориулсан гоц дамжуулагч хийж болно. Түүний гоц гойд чанар нь утсаар гүйх гүйдэл бараг дулаан ялгаруулдаггүй,  асар их 10⁷A/cm² утганд хүрдэг. Ийм утгын үед сонгодог дамжуулагч агшин зуур уурших байх.

Комьютерийн үйлдвэрт бас нанохоолойн хэд хэдэн хэрэглээг боловсруулсан. Аль хэдийн 2006 онд наногуурсны матриц дээр ажилладаг хавтгай дэлгэцтэй эмиссийн мониторууд гарч ирсэн. Наногуурсны үзүүрүүдэд өгсөн хүчдэлийн үйлчлэлээр нэг үзүүр нь гэрэлтүүлэлтийн пикселийг үүсгэдэг, фосфорцлогч дэлгэц дээр тусч буй электроныг гаргаж эхэлдэг. Энэ үед  гарган авсан дүрс мөхлөг санаанд багтамгүй, микроны эрэмбийн жижиг байх болно!

Өөр нэг жишээ гэвэл тэмтрүүлт микроскопийн зүү болгож наногуурсыг ашиглах явдал юм. Ердийн тийм үзүүр нь хурц үзүүрлэсэн вольфрамийн зүү байдаг, гэвч атомын хэмжүүрээр бол ийм хурц үзүүр хангалттай бүдүүн байдаг. Нангуурс бол хэдэн атомын эрэмбийн диаметртэй идеаль зүү юм. Тодорхой хүчдэлийг өгч, шууд зүүн доорх суурь дээр орших атом ба бүхэл молекулыг барьж тэдгээрийг нэг байрлалаас нөгөө байрлал руу зөөж болно.

Наногуурсны ер бусын цахилгаан шинж чанар нь түүнийг наноэлектроникийн үндсэн материалын нэг болгодог.

Тэдгээрийн үндсэн дээр компьютерийн шинэ элементүүдийг үйлдсэн. Эдгээр элемент  төхөөрөмжийг цахиуран төхөөрөмжтэй харьцуулахад хэд хэдэн эрэмбээр багасадаг. Одоо үед уламжлалт хагас дамжуулагчийн үндсэн дээрх электрон схемийн цаашдын жижигрэх боломжууд  бүрэн төгсгөл болсны дараахь (энэ нь ойрын 5-6 жилд болно) электроникийн хөгжил аль зүгт явж байгаа тухай асуудал идэвхтэй хэлэлцэгдэж байна. Тэгээд наногуурс цахиурын оронд гарч ирэх ирээдүйтэй өрсөлдөгчийн дунд маргаангүй тэргүүлэгч байр эзэлнэ гэж үзэж байна.

Наноэлектроник дахь нангуурсны бас нэг хэрэглээ бол хагас дамжуулагч гетеробүтцийг бүтээх явдал юм. Өөрөөр хэлбэл, “металл/хагасдамжуулагч” буюу хоёр өөр төрлийн хагас дамжуулагчийн зааг (нанотранзисторууд) бүтээх явдал юм.

            Одоо ийм бүтцийг үйлдэхийн тулд тусад нь хоёр материалыг ургуулах, дараа нь тэдгээрийг бие биетэй нь гагнах хэрэгггүй болж байна. Наногуурсны ургуулах процесст зөвхөн түүнд онцгой хэлбэрээр ердөө түүнийг дундуур нь нугалан эвдэж бүтцийн дефект (тухайлбал, нүүрстөрөгчийн зургаан өнцөгтийн нэгийг таван өнцөгтөөр солих)-ийг үүсгэх хэрэгтэй. Тэгвэл наногуурсны нэг хэсэг нь металлын шинж чанартай, харин нөгөө нь хагас дамжуулагчийн шинж чанартай байх болно!

            Наногуурс бол дотоод хөндий нь хийг аюулгүй хадгалахад тохиромжтой идеаль материал юм. Эхний ээлжинд энэ нь автомашины түлш маягаар ашиглах болсон устөрөгчид хамаарна. Хэрвээ устөрөгчийг тэсрүүлэхгүйгээр хадгалах баллонууд нүсэр том, зузаан ханатай, хүнд, аюултай байдаг нь түүний ерөнхий давуу тал болох нэгж масс дээр ялгарах энергийн их тоо хэмжээг (автомашины гүйлтийн 500 км дээр нийтдээ ойролцоогоор 3 кг H₂ шаардлагатай) арилгаагүй бол шүү дээ.

            Энэ утгаараа манай гариг дээрх нефтийн нөөц хязгаартай тул устөрөгчийн түлшээр ажилладаг автомашин нь олон экологийн асуудлын үр бүтээлтэй шийдэл байх билээ. Ийм учраас уламжлалт бензиний оронд удахгүй наногуурс бүхий шинэ устөрөгчийн “бензобак”-ийг  даралтын доор тогтмол устөрөгчийн түлшээр дүүргэж болох юм. Харин ийм “устөрөгчийн бак”-ийг ялимгүй халааж устөрөгчийг гаргах боломжтой. Нөөцөлсөн энергийн нягтаар ердийн хийн баллоныг давахын тулд 2-3 нм-ээс илүү харьцангуй диаметртэй хөндий бүхий наногуурс хэрэгтэй.

            Наногуурсан дотор зөвхөн атом ба молекулыг нэг нэгээр нь хөөж оруулаад зогсохгүй, бас бодисыг жинхэнэ “юүлэх” боломжтой. Нээлттэй наногуурс капилляр шинж чанартай өөрөөр хэлбэл, бодисыг өөртөө сорж байгаа юм шиг чанартай гэдгийг туршилтууд харуулсан. Тэгэхээр наногуурсийг уураг, хортой хий, түлшний компонентууд, түүнчлэн хайлмал металлууд гэх зэрэг хими ба биологийн идэвхтэй бодисыг тэээвэрлэх ба хадгалах өчүүхэн контейнер болгон ашиглаж болно. Наногуурсан дотор атом ба молекул ороод гадагшаа гарах боломжгүй: гуурсны төгсгөлүүд найдвартай “гагнагдсан”, харин нүүрстөрөгчийн цагираг түүгээр ихэнх атомууд “шурган орох”-д дэндүү нарийн. Ийм маягаар идэвхтэй атом, молекулыг аюулгүй тээвэрлэж болно. Хэрэгтэй газартаа очоод наногуурс нэг үзүүрээ онгойлгон доторхи бодисоо нарийн тодорхой тунгаар гаргана. Энэ бол бүтэшгүй зүйл биш, ийм төрлийн туршилтуудыг олон лабораторид явуулсан бөгөөд харин нангуурсны үзүүрүүдийг битүүлж “гагнах” ба “гагнаас салгах ”үйлдлүүд орчин үеийн технологоор бүрэн хийж болох зүйл. Аль хэдийнээ нэг үзүүр нь битүү наногуурсийг бүтээсэн. Түүнээс гадна энэ технологийн үндсэн дээр 10-15 жилийн дараа өвчнийг эмчлэх болно. Үүний тулд маш идэвхтэй ферментүүд бүхий урьдаас бэлтгэсэн наногуурсийг өвчтөний цусанд оруулахад эдгээр наногуурс ямарваа нэг өчүүхэн механизмаар организмийн тодорхой байрлалд цугларч, тодорхой агшинд “нээгдэнэ” гэж үздэг. Орчин үеийн технологи 3-5 жилийн дараа тийм схемийг гүйцэтгэхэд бараг аль хэдийнээ бэлэн болсон. Үндсэн асуудал бол механизмуудыг “нээх”, бай-эсийг хайхад зориулагдсан уургийн маркеруудад тэдгээрийг нэгтгэх, үр ашигтай арга байхгүй байгаа явдал юм. Нанокапсул ба вирусын үндсэн дээр эмийг хүргэх илүү үр ашигтай аргуудыг бүтээх боломжтой. Бас наногуурсны үндсэн дээр наногуурсны дагуу их хурдтайгаар тусгаар атомуудыг нарийвчлалтайгаар зөөх чадвартай конвейерийг бүтээсэн.