Οι επιστήμονες δημιουργούν την πέμπτη μορφή του άνθρακα

Από την ιστοσελίδα PhysicsWeb, 23 Μαρτίου 2004

Φυσικοί στην Ελλάδα, την Αυστραλία και τη Ρωσία δημιούργησαν μια νέα μορφή του άνθρακα, που έχει τη χαμηλότερη πυκνότητα από όλα τα στερεά σώματα - ακριβώς 2 χιλιοστά του γραμμαρίου ανά κυβικό εκατοστό. Το υλικό αυτό είναι ένας ιστός νανο-αφρού άνθρακα και είναι η πρώτη μορφή καθαρού άνθρακα που παρουσιάζει σιδηρομαγνητικές ιδιότητες, αν και προσωρινές, στη θερμοκρασία δωματίου. Η ομάδα, που παρουσίασε τα αποτελέσματά της σε μια συνεδρίαση της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής στο Μόντρεαλ, λέει ότι ο αφρός θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για spintronic εφαρμογές και στην ιατρική απεικόνιση, δηλαδή σε μαγνητικούς τομογράφους.

Μέχρι σήμερα ήταν γνωστές μόνο τέσσερις δυνατές διατάξεις των ατόμων άνθρακα: το διαμάντι, το γραφίτης και δύο υλικά που ανακαλύφθηκαν σχετικά πρόσφατα, οι νανοσωλήνες και τα φουλερένια,  - πολυεδρικές σφαίρες από άτομα άνθρακα οι οποίες παίρνουν το όνομά τους από τους θόλους που σχεδίαζε ο Βρετανός αρχιτέκτονας Buckminster Fuller.

Ο Γιάννης Γιαπιντζάκης του Πανεπιστημίου της Κρήτης, ο Andrei Rode του Αυστραλιανού Εθνικού Πανεπιστημίου στην Καμπέρρα και συνεργάτες τους στην Κρήτη, την Καμπέρρα και το Φυσικο-Τεχνικό Ινστιτούτο Ioffe στην Αγία Πετρούπολη βομβάρδισαν - με ένα πάρα πολύ γρήγορο λέιζερ υψηλής ισχύς - έναν εξαιρετικά καθαρό υαλώδη στόχο από άνθρακα μέσα σε ένα περιβάλλον αργού. Έτσι, συγκέντρωσαν το νανο-αφρό άνθρακα που παρήχθη μέσα σε έναν λιωμένο σωλήνα πυριτίου.

Σύμφωνα με το Γιαπιντζάκη αυτή η συσκευή λέιζερ στην Καμπέρρα, είναι η μόνη συσκευή στον κόσμο που έχει την ικανότητα να παράγει το υλικό αυτό. Το λέιζερ εξέπεμπε 10.000 παλμούς ανά δευτερόλεπτο και θέρμανε το υλικό μέχρι 10.000 βαθμούς Κελσίου.

Χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, η ομάδα παρατήρησε ότι ο νανο-αφρός αποτελείται από τυχαία διασυνδεδεμένους τομείς άνθρακα με μέσες διαμέτρους μεταξύ 6 έως 9 nm, τακτοποιημένους σε μια δομή σαν του ιστού. Η τριεθνής επιστημονική, επίσης, βρήκε ότι ο νανο-αφρός ήταν ημιαγωγός με ένα ενεργειακό χάσμα 0,5 έως 0,7 eV. Επιπλέον, ο καινούργιος αφρός είχε μια ισχυρή σταθερή μαγνητική ροπή στη θερμοκρασία δωματίου, αλλά όμως αυτή εξαφανίστηκε μέσα σε μερικές ώρες. Το υλικό έχει μια θερμοκρασία Κιουρί - θερμοκρασία κάτω από την οποία γίνεται σιδηρομαγνητικό - 90 Kelvin.

Η ομάδα λέει ότι ο συνδυασμός του στενού ενεργειακού χάσματος και υψηλής θερμοκρασίας Κιουρί θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη σε εφαρμογές spintronics. Οι μικροσκοπικοί σιδηρομαγνητικοί τομείς του υλικού θα μπορούσαν επίσης να εισέλθουν σε αγγεία με ενέσεις για να βελτιώσουν την ποιότητα των μαγνητικών απεικονίσεων ή σε αντικαρκινικές θεραπείες.

Οι μαγνητικοί τομογράφοι βασίζονται στο γεγονός ότι οι διάφοροι ιστοί του σώματος επηρεάζουν με διαφορετικό τρόπο τα μαγνητικά πεδία γύρω τους.

Ο David Tománek του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Michigan λέει ότι ο νανοαφρός θα μπορούσε να βοηθήσει στην θεραπεία των όγκων. Ο Tománek έχει εργαστεί κι αυτός με τον αφρό. Επισημαίνει ότι η νέα δομή είναι πολύ κακός αγωγός της θερμότητας. Έτσι ο Tomαnek προτείνει ότι ο αφρός θα μπορούσε να εγχυθεί στους όγκους, αλλά και στους όγκους που ακτινοβολήθηκαν με υπέρυθρες ακτίνες. Ο αφρός θα απορροφούσε την ακτινοβολία και θα σκότωνε τον όγκο καθώς θα θερμαινόταν, προτείνει ο Tománek, χωρίς όμως να θερμαίνει τον περιβάλλοντα ιστό.

"Η νέα μαγνητική συμπεριφορά που βρέθηκε σε αυτό το υλικό θα μπορούσε επίσης να εμφανιστεί και σε άλλα στερεά", αναφέρει ο Γιαπιντζάκης . "Έχουμε τις πρώτες ενδείξεις ότι εμφανίζεται και σε μια άλλη ένωση, που αποτελείται από δύο μη μαγνητικά στοιχεία, το βόριο και το άζωτο."

Η ομάδα προγραμματίζει τώρα να βελτιστοποιήσει την τεχνική τους για να δημιουργήσουν νανο-αφρούς των οποίων η αρχική σιδηρομαγνητική ιδιότητα να διαρκεί περισσότερο.

Spintronics: Μικροηλεκτρονικές συσκευές που λειτουργούν με τη χρήση των spin των ηλεκτρονίων και αποτελούν μια εξελισσόμενη βιομηχανία πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων, η οποία μπορεί να οδηγήσει στα κβαντικά μικροτσίπ.