Napjainkban, amikor a gépesítés és automatizálás soha nem látott mértéket ölt, talán még inkább meghatározóak a rendelkezésünkre álló anyagok és az általuk felkínált lehetőségek az élet szinte minden területén. Ennek megfelelően, mind nagyobbak az elvárások a modern anyagok tekintetében. Vizsgáljuk meg, milyen követelményeknek kell megfeleljenek ezek a korszerű anyagok.

Egyrészt a népesség növekedésből, másrészt a fogyasztói társadalomra jellemző növekvő egy főre eső fogyasztás következtében, anyagigényünk egyre növekszik, készleteink pedig végesek. Ezért elengedhetetlen, hogy bizonyos anyagokat (amelyek esetleg kifogyóban vannak) helyettesíteni tudjunk mesterségesen előállítható, az illető funkciót ugyanolyan jól, vagy jobban betöltő anyagokkal.

Másrészt a növekvő mennyiségű felhasználás mellett a minőségre vonatkozó elvárások is növekszenek. Ennek oka azon alkalmazások számának a növekedése, amelyek speciális vagy extrém igénybevételeknek is megfelelő anyagokat használnak fel, gondoljunk itt nemcsak a hadiipari alkalmazásokra, de az űrkutatástól a gyógyászatig terjedő alkalmazásokra. Ilyen speciális tulajdonságokkal rendelkező anyagok általában nem állnak rendelkezésünkre a természetben, így a felhasznált anyagok egyre inkább eltolódnak a természetben megtalálható anyagok felől a speciális alkalmazásokra célzottan tervezett anyagok felé.

Napjainkban, mikor a gazdaság a mozgatórugója a legtöbb emberi tevékenységnek, nem meglepő, hogy egy lényeges kritérium a gyakorlatban alkalmazott anyagokra a gazdaságosság, azaz nem elég, hogy egy adott anyag megfeleljen az illető alkalmazás elvárásainak, a gyakorlatban való elterjedéséhez nélkülözhetetlen, hogy minél olcsóbban lehessen előállítani, illetve üzemeltetni.

Végül de nem utolsósorban, egy hasonlóan fontos elvárás a modern anyagoktól a környezetvédelem követelményeinek való megfelelés, amelyet részben az újrafelhasználhatóság biztosíthat, amely kritérium egyébként a gazdaságosságot is kedvezően befolyásolhatja.

Nem olyan egyszerű a dolgunk azonban, ha napjaink karakterisztikus anyagát próbáljuk megkeresni, hiszen igen sok nélkülözhetetlen anyagot használunk fel az élet minden területén, sőt ezek skálája egyre szélesedik, de talán egyik sincs akkora hatással az emberiség egész életvitelének a formálásában, mint a szilícium alapú elektronika és itt elég, ha csak a számítógépekre gondolunk.

Stílusosan úgy mondhatnánk, hogy a szilíciumkorszakban élünk. Persze a korszak megnevezés itt erősen vitatható, hiszen történelmi léptékkel nézve nem érdemli meg ezen elnevezést, rövid időtartama miatt. Ez azonban egyenes következménye annak, hogy a fejlődés üteme elképesztően felgyorsult és egyre gyorsabban születnek, újabb és újabb anyagok, amelyek kiszorítják az adott területen már csak évtizedekig uralkodó előző anyagokat és technológiákat.

Ezen igények növekedésének és a fejlődés fokozott ütemének köszönhetően a „szilíciumkorszak” napja is leáldozóban van, az akadály, amiben megbotolni látszik: a további méretcsökkentés (miniatürizálás). Az elektronikai ipar ugyanis arra törekszik, hogy a kereskedelmi forgalomba kerülő mikroprocesszorokban lévő tranzisztorok méretét 200 nanométer (1 nm = 10-9 m, tehát a miliméter egymilliomod része) alá csökkentsék. Óriási gazdasági előnyök rejlenek az eszközök méretének további csökkentésében, amely a mikroelektronikai eszközök működési sebességének és hatékonyságának a növekedését vonja maga után. Ugyanakkor a szilícium áramkörök további miniatürizálása elé gátat szab az úgynevezett termikus korlát, ugyanis a félvezető elemek munkahőmérsékletének biztosítása a felszabaduló hő miatt már nem megoldható ezen a méretskálán, nem tudjuk elvezetni a felszabaduló hőt, ami túlmelegedéshez vezet.

Az utóbbi néhány évben, az anyagtudomány egy új területén elért eredmények lehetőséget adnak arra, hogy egy forradalmian új anyagcsoport felhasználásával vezetékeket és funkcionális eszközöket tizedmikrométernél kisebb méretekben állítsanak elő. Az anyagok ezen új csoportját, amelyek felfedezésük után azonnal intenzív kutatás tárgyává váltak az anyagtudománnyal foglalkozó laboratóriumokban, nanoszerkezeteknek nevezzük.

A nanoszerkezetek története 1985-ben kezdődött el a szén harmadik allotróp (kristályszerkezeti) módosulatának, a Fullerénnek (C60) a felfedezésével. (1.kép). Ezért a felfedezésért 1996-ban a szerzők kémiai Nobel díjban részesültek. Hogy némi elképzelést alkothassunk, hogy milyen elképesztően pici a nanoszerkezetek mérettartománya, az ábrán látható fullerén modelljét, amelynek átmérője 1 nanométer nagyságrendű, kb. 100 milliószoros nagyításban látjuk. Ilyen nagyítás mellett 1 millimétert pontosan 100 kilométernek láthatnánk.

A szén két közismert allotróp módosulata a gyémánt és a grafit, amelyek fizikai tulajdonságai nagy mértékben eltérnek egymástól. Ez a két látszólag tejesen eltérő anyag egyaránt, tisztán szén atomokból épül fel, a különbségek oka a C atomok közötti kötés típusából származik, pontosabban a négy vegyértékelektron hibridizációjának a típusából, amely gyémánt esetében az ábrán látható tetraéderes kötéseket alakít ki, míg a grafit szintén az ábrán megfigyelhető réteges szerkezetbe rendeződik, a rétegek között gyenge a kötés ezért könnyen elcsúszhatnak egymáson, ezzel magyarázható, hogy a grafit kitűnő kenőanyag, valamint a ezért tudunk írni a ceruzával, írás közben ugyanis ilyen grafit síkok vállnak le könnyedén és tapadnak elektrosztatikusan a papírhoz(2.kép).

A szén harmadik allotróp módosulatának, a fullerének családjának, a gyakorlati alkalmazások szempontjából legfontosabb tagjai a szén nanocsövek

A szén nanocsövek története 1991-re nyúlik vissza, amikor Tsukubában, Japánban, a NEC Fundamental Research Laboratory-ban Sumio Iijima elektronmikroszkóppal vizsgált, „Krätschmer” típusú reaktorban előállított koromrészecskéket . Azt észlelte, hogy hosszú, szálszerű alakzatok vannak a szénrészecskék között. Ezek a, szintén kizárólag szén atomokból felépülő, rendezett, nagyon vékony és nagyon hosszú makromolekulák hamarosan mint szén nanocsövek váltak ismertté. Ezek az anyagok a mérnöki tudományok terén dolgozó kutatók érdeklődését is felkeltették. Rendkívüli tulajdonságaik, többek között a páratlan rugalmasság, hajlékonyság, szakítószilárdság és hőstabilitás következtében, felhasználhatóak például mikroszkopikus robotok gyártására vagy ütközéseknek jobban ellenálló autókarosszériák, esetleg földrengésbiztos épületek szerkezeti anyagaként (Megj.: A szén nanocsövek nem összetévesztendőek az ipar által már több évtizede szintén anyagerősítésre használt szénszálakkal, amelyektől úgy méretben mint szerkezetben és tulajdonságokban élesen eltérnek). Ami a szén nanocsöveket mechanikailag ennyire stabillá (erőssé) teszi az a szénatomok egymáshoz kapcsolódásának az erőssége, amely a nanocsövek C-C kötései esetében erősebb mint a gyémántban található C-C kötések esetén. Szén nanocsövek esetében a szén atomok egy hatszöges rácson helyezkednek el, pontosan úgy, mint a grafit esetében, ezért a szén nanocsöveket úgy képzelhetjük el, mint egy grafitsík feltekerésével nyert cső. Ezen csövek végei általában egy fél fullerén „sapkával” zárulnak be. (ábra.3, 4).

Az első nanocsövek, amelyeket Iijima megfigyelt 1991-ben úgynevezett többfalú nanocsövek voltak, ezt úgy kell elképzelni, mint több koncentrikus egyfalú nanocsövet amelyek egyre növekvő átmérővel ágyazódnak egymásba. (ábra.5)

Első alkalmazásukat a szén nanocsövek elektromos tulajdonságaiknak köszönhették. A General Motors alkalmazott elsőként olyan műanyag alkatrészeket, amelyek szén nanocsöveket is tartalmaztak.

Hosszú távon azonban, ahogyan már említettük, valószínűsíthető, hogy a szén nanocsövek egyik legbiztosabb felhasználója az elektronikai ipar lesz, ezen nanoszerkezetek forradalmian új és egyedi elektromos tulajdonságainak köszönhetően. Azok az integrált áramkörök amelyek a nanocsöveket, aktív funkcionális eszközként tartalmazzák, gyorsabban és sokkal kevesebb energiával lesznek működtethetőek, mint a napjainkban használatosak. A kisebb energiaszükséglet egyben környezetkímélőbb megoldás is.

Ezen egyedülálló elektromos sajátosságaik részben méreteikből, részben jellegzetes szerkezetükből fakadnak. Méreteiket tekintve, ezek a csövek nagyon nagy hossz/átmérő aránnyal rendelkeznek (azaz sokkal hosszabbak mint az átmérőjük). Míg átmérőjük a nanométer tört része is lehet, addig hosszuk elérheti a több tíz mikrométert (egy makrovilágbeli példával élve, egy olyan 1 miliméteres átmérőjű huzalhoz hasonló aminek a hossza kb. tíz méter). Az ilyen rendszereket kvázi 1D (egy dimenziós) rendszereknek tekinthetjük. A nanocső kerületén „végigsétálva” általában 10-15 szén atommal találkozhatunk, ilyen mérettartományban már olyan hangsúlyos kvantummechanikai hatások érvényesülnek amelyek magyarázatul szolgálhatnak a nanocsövek egyedi tulajdonságaira, elektromos szempontból.

Tulajdonképpen már a grafit is szokatlan tulajdonságokkal rendelkező anyag. Ismert, hogy a legtöbb elektromosságot vezető anyagot be lehet sorolni, vagy a fémes vezetők, vagy a félvezetők kategóriájába, a grafitot azonban nem. Ez az anyag mintegy átmenetet képez a fémes vezetők és a félvezetők között. Legtalálóbban talán félfémes vezetőnek nevezhetnénk, de úgy is felfoghatjuk, mint egy nulla-szélességű tiltott sávval rendelkező félvezetőt. Valójában csak bizonyos jól meghatározott hullámszámmal (kvantumállapottal) rendelkező elektronok számára nulla a tiltott sáv szélessége, ezek biztosítják a grafit vezetőképességét külső energia bevitele nélkül.

A nano méretskálában az elektronok viselkedésére már sokkal inkább jellemző a hullámszerű viselkedés, mint a részecskeszerű viselkedés. A hullámok világában pedig meghatározó szerepet játszanak az interferencia jelenségek, amely által a hullámok erősíthetik, illetve ki is olthatják egymást vagy saját magukat. Így a nanocsövekben is csak olyan hullámállapottal jellemzett elektronok létezhetnek, amelyek nem oltják ki önmagukat, tehát mindazon elektronhullámhosszak vagy helyesebben elektron-kvantumállapotok közül, amelyek a végtelennek tekintett grafit sík esetében lehetségesek csak nagyon kevés marad megengedett, amikor a grafitsík egy szeletét csővé tekerjük, a cső kerülete mentén (néhány nanométer) létrejövő interferencia kioltások következtében. Ezt a kevés számú megengedett állapotot a cső átmérője (tulajdonképpen kerületének hossza) határozza meg. (6. ábra saját)

Viszont, ahogy a fentiekben elmondtuk a grafitban is csak bizonyos jól meghatározott hullámszámú elektronok képesek szabadon mozogni, azaz vezetni (amelyek számára a tiltott sáv szélessége nulla). Az egyfalú szén nanocsöveknek csak a harmada rendelkezik olyan átmérővel (és feltekerési szöggel), amelyekben az ilyen, a grafit vezetőképességét is biztosító, elektronok hullámai nem oltják ki önmagukat interferencia során. Az ilyen nanocsövek lesznek a fémes vezetők, a megmaradó kétharmad rész pedig félvezető tulajdonságokkal rendelkező nanocsövet eredményez, amelyekben az elektronok mozgása külső energiaközlés nélkül nem lehetséges. Tehát egyetlen kémiai elemből, szénből felépülő szerkezet képes fémként de félvezetőként is viselkedni anélkül, hogy szennyező atomokat kellene bevinnünk, egyszerűen csak a cső geometriájának a függvényében. Az átmérő függvényében a már említett mechanizmus következtében a nanocsövek tiltott sávjának szélessége nullára zsugorodhat, mint fémeknél, lehet nagyon nagy is, mint pl. a szilíciumnál, de felvehet bármilyen köztes értéket is. Nem ismerünk jelenleg olyan más anyagot, amelynél ilyen könnyen befolyásolható a tiltott sáv szélessége (egyszerűen csak az átmérő változtatásával).

A gyakorlati megvalósítás szempontjából, napjainkban, a főleg szén nanocsövekre alapozott nanoelektronikai, vagy molekuláris elektronikai fejlesztések ott tartanak, hogy képesek vagyunk előállítani és működtetni nanocsőből álló diódát, tranzisztort, ennélfogva az összes logikai áramköri elemet is, amelyeket a digitális áramkörökben (mikroprocesszorokban) használnak (képek). A probléma a nanocsövekből felépülő alkatrészek (diódák tranzisztorok) kontrolált összekapcsolásánál (áramkörré rendezésénél) jelentkezik, ugyanis ha az integrált áramkör minden egyes nanocsőből felépülő tranzisztorát külön kontaktusokkal látjuk el, akkor visszaugrottunk a mikronos mérettartományba, mivel maguk a kontaktusok ilyen méretűek (7ábra). Ehelyett azt szeretnénk elérni, hogy maguk a nanocsövekből felépülő elemek kapcsolódjanak önrendezően, egymás között (ún. self assembly, azaz önmagát összeszerelő). Erre az igen komoly problémára részben megoldást jelenthetnek az utóbbi néhány évben felfedezett, speciális formájú szén nanocsövek, amilyenek a „nano-Y”-ok vagy a spirális nanotekercsek. (8,9 képek)

A többfalú nanocsövek elektromos szempontból még komplexebb és bonyolultabb rendszerek, mint az eddig tárgyalt egyfalú csövek. Komplexitásuk abból ered, hogy egy többfalú nanocsövön belül a falak átmérője és szerkezete (feltekerési szöge) is különbözik, tehát az elektronszerkezetük is nagyon eltérő lehet. Ha tehát a többfalú csövek egyedi héjainak a szerkezete tervezhetővé válik, akkor olyan nanocsövek előállításra is sor kerülhet, amelyek önszigetelők, vagy amelyek több jel egyidejű továbbítására lesznek alkalmasak, mint a koaxiális kábelek de mindezt nanométeres skálán.

Sajnálatos módon azonban, egyelőre az ismert előállítási technológiákkal nem sikerült előre pontosan meghatározott geometriával (átmérő, feltekerési szög) rendelkező nanocsöveket nagy mennyiségben szintetizálni.

Ha már megoldandó problémaként felmerült, ejtsünk néhány szót a nanocsövek előállításáról is. A nanocsövek nagyon speciális körülmények között szintetizálódnak. Jelenleg három széles körben elterjedt módszer létezik a nanocsövek előállításra. Szén nanocsövek keletkeznek inert atmoszférában (jellemzően hélium vagy argon) fenntartott, két szén elektróda közötti elektromos ívben, azaz plazmában, ahol az átfolyó áram a 100 ampert is meghaladja, a hőmérséklet pedig 3000 ºC feletti. Szintén gyakran használt eljárás a szén nanocsövek előállítására a lézeres elpárologtatás, amely folyamán egy nagyon erős lézerimpulzussal meglőnek egy grafitfelületet, ezáltal szén plazmát hozva létre, amelyet lehűtve nanocsöveket állíthatunk elő. A harmadik és talán legelterjedtebb módszer a nanocsövek szintézisére széntartalmú vegyületek, jellemzően néhány nanométeres fémklasztereken (általában kobalt, nikkel vagy vas), történő katalitikus bontása.

Meg kell említenünk azonban, hogy a nanocsövek gyártásában is óriási előrelépések történtek az utóbbi években, a kezdeti kis mennyiségekben történő előállítás helyett, amikor is a szén nanocső jóval drágább anyag volt, mint az arany, napjainkban már tonnaszámra képesek vagyunk nanocsöveket előállítani.

A részletesebben ismertetett nanoelektronikai alkalmazásokon kívül a nanocsövek alkalmazásától a technika számos területén várnak áttörő eredményeket, ilyenek a biztonságos hidrogéntárolás megoldása, az extrasík és kis feszültségű képernyők gyártása, a szenzorika (az érzékelés tudománya, elsősorban hadászati alkalmazásokkal), a nanoméretű katalizátorok gyártása és a bevezetőben már említett anyagerősítés, ahol pusztán érdekességképpen még megemlíthetjük, hogy egy nanocsövekből „font” kötél volna az egyetlen, amely elbírná a saját súlyát a föld és a föld körül keringő mesterséges holdak, azaz a világűr között.

A nanocsövek felfedezése és tanulmányozása gyökeresen megváltoztatta nézőpontunkat a szén alapú anyagokról. Tudományos szempontból legnagyobb előnyük, hogy szerkezetük közel tökéletes, ezért elméletileg nagyon jól leírható, azaz elméleti számításokból precízen előre lehet jelezni mechanikai, elektromos és egyéb tulajdonságaikat, amely jelentősen megkönnyíti az új gyakorlati alkalmazások kísérleti kidolgozását. A nanoszerkezetekben rejlő potenciális alkalmazások és kihívások egybegyűjtötték a tudományos világ különböző területein tevékenykedő tudósokat: fizikusokat, vegyészeket és mérnököket egyaránt, nagyon rövid idő alatt létrehozva az anyagtudomány egy teljesen új ágát, amelynek az eredményeit a nem is oly távoli jövőben remélhetőleg mindennapi életünkben is viszontláthatjuk, olyan alkalmazások formájában, amelyek kényelmesebbé, biztonságosabbá tehetik azt.