Za taśmę klejącą

W tym roku jest znacznie prościej. Obie nagrody z nauk ścisłych są bardzo konkretne, a na upartego można je trywializować w kierunku szans na zwalczenie raka i głodu na świecie - w sam raz na dziesięciosekundowe wejście w TV.

Laureatami tegorocznego Nobla z chemii są Amerykanin Richard Heck i dwaj Japończycy Ei-ichi Negishi i Akira Suzuki. Zostali uhonorowani za odkrycie reakcji chemicznej stosowanej dziś niemal w każdej fabryce zajmującej się syntezą organiczną - od producentów farb i opakowań plastikowych po firmy farmaceutyczne.

Nagroda z fizyki przyznana została dwóm Rosjanom: Andre Geimowi i Konstantinowi Nowosiełowowi za nie tyle odkrycie, co wyizolowanie na Uniwersytecie w Manchesterze formy węgla zwanej grafenem.

Prawdopodobnie z grafenem spotykamy się za każdym razem, gdy piszemy ołówkiem, bowiem Geim i Nowosiełow wyizolowali tę formę węgla z grafitu. O ile nagroda z chemii jest uhonorowaniem odkrycia stosowanego dziś na skalę przemysłową, o tyle nagroda z fizyki jest swego rodzaju inwestycją Komitetu Noblowskiego w przyszłość. Z grafenem wiązane są bowiem ogromne nadzieje, podobnie jak kiedyś z promieniami Roentgena (pierwsza w historii nagroda Nobla) czy nadprzewodnictwem (nagroda z 1972 r.). Obydwie nagrody dotyczą tego samego - manipulowania atomami węgla, pierwiastka, który jest głównym budulcem wszystkich organizmów żywych, a także większości otaczających nas przedmiotów.

Opowieść o samochodzie i ołówku

Nagroda z chemii to porządna, solidna nagroda przyznawana za dłubanie w chemikaliach, próbówkach i retortach. Tymczasem nagroda z fizyki przyznana została za odkrycie dokonane za pomocą... taśmy klejącej. Nie jest to jednak wynik niechlujstwa Geima i Nowosiełowa, którzy gdzieś przez przypadek przykleili kawałek taśmy. To raczej efekt zaplanowanej strategii. Chcieli wyizolować płaski jak naleśnik, gruby na jeden atom kryształ węgla, żeby sprawdzić, czy może on istnieć w rzeczywistości, czy zgodnie ze spekulacjami części naukowców natychmiast zwinie się w trąbkę czy kulkę, trochę jak kawałek folii spożywczej zostawionej samopas. Proces izolacji prowadzili właśnie za pomocą taśmy klejącej, którą na końcu rozpuszczali w acetonie, a płytki nieznanej dotąd formy węgla osadzali na krzemie i oglądali pod mikroskopem. Pierwsze kryształy udało im się uzyskać w 2004 r., tak więc nagroda Nobla przyznana została, jak widać, błyskawicznie. Z czasem udało im się wyprodukować tak wielkie płatki, że można było zmierzyć ich własności fizyczne, takie jak wytrzymałość, opór elektryczny itp.

Po dokonaniu pomiarów okazało się, że grafen ma fantastyczne właściwości. Jest niezwykle wprost wytrzymały. Jego odporność na rozerwanie jest 200 razy większa niż stali. W 2008 r.

James Hone na Uniwersytecie Columbia zmierzył odporność płatka grafenu i wyszło mu, że nie mieści się na żadnej skali pomiarowej. Do dziś nic nie zdetronizowało grafenu. Hone ukuł nawet obrazowe porównanie, że przeskalowując warstwę grafenu do grubości zwykłej folii spożywczej (ok. 100 mikrometrów) otrzymujemy materiał, którego przebicie ołówkiem wymagałoby siły 20 tys. niutonów, czyli takiej, jaką wywiera masa dwóch ton. Słowem do przebicia takiego materiału trzeba by na ołówku postawić spory samochód. Od razu nasuwa się potencjalne zastosowanie grafenu jako materiału na kamizelki kuloodporne - warstwa lżejsza niż puchowe piórko byłaby w stanie zatrzymać kulę karabinową. Kto wie, może laboratoria kilku armii na świecie od dawna pracują nad grafenowymi zbrojami?

Opowieść o samochodzie i ołówku jest bardzo obrazowa, problem w dodatkowych założeniach, które trzeba dopisać drobnym druczkiem, by porównanie było prawidłowe. A drobnym druczkiem mamy założenie, że arkusz grafenu musiałby być idealnie jednorodny, by wykorzystać pełną moc, jaką dają wiązania atomów węgla między sobą, inaczej cała warstwa pęknie jak balonik przekłuty szpilką.

Grafen ma jeszcze kilka innych fantastycznych właściwości, np. doskonale przewodzi prąd, znacznie szybciej niż krzem. Co więcej: ma takie własności, że bardzo łatwo wykonać z niego półprzewodnik, skąd tylko krok do tranzystora i układu scalonego. Droga do detronizacji krzemu, królującego obecnie w elektronice, jest jeszcze bardzo daleka, ale potencjalne zastosowania są wielce obiecujące.

Jak to robią rośliny

Tu od razu jest miejsce dla panów Hecka, Negishiego i Suzukiego, którzy opracowali sposób prostego łączenia atomów węgla w obecności palladu. Dzięki temu inżynieria chemiczna sprowadza się niejako do składania klocków. Cząsteczkę można sobie zaprojektować w komputerze, a później za pomocą reakcji Suzukiego złożyć ją z mniejszych kawałków, by sprawdzić, czy ma potrzebne właściwości.

Tak można projektować miliony rzeczy. Ocenia się, że co czwarty związek organiczny syntetyzowany współcześnie powstaje właśnie przy pomocy reakcji Suzukiego. Najbardziej spektakularne są oczywiście wspominane przy okazji ogłoszenia nagrody leki na raka (na razie równie ulotne jak grafenowe zbroje), ale jest też mnóstwo innych cząsteczek chemicznych. Np. takie, które po doprowadzeniu prądu świecą. Tego typu substancje zwane są organicznymi LED-ami i powoli wchodzą na rynek... telewizorów. Ogromną zaletą świecących polimerów jest ich wytrzymałość na zginanie - ekrany mogą mieć dowolny kształt, można nimi oklejać kubki czy zwijać w rulon. Grafen może być idealną podstawą do takich ekranów, bowiem jest wytrzymały na zginanie, a na dodatek można w nim stworzyć nie tylko ścieżki przewodzące prąd, ale również tranzystory. W grudniu 2009 r. zesspół naukowców z University of California opublikował pracę, w której pokazuje, jak na warstwie grafenu ułożyć cząsteczki palladu, które później mogą posłużyć jako kotwice do innych cząstek organicznych, przyczepianych bezpośrednio do warstwy węgla, z którego składa się grafen.

Połączenie grafenu z organicznymi cząsteczkami może prowadzić nie tylko do zbudowania nowych telewizorów. Niezwykle atrakcyjna jest możliwość łączenia molekuł organicznych z układem elektronicznym. Dzięki temu można zbudować czujniki do wykrywania różnych substancji chemicznych, a jeden z ambitniejszych projektów to budowa mikroprocesora, który będzie w stanie szybko sekwencjonować kod genetyczny - jakże ostatnio modną dziedzinę nauki.

Innym potencjalnym zastosowaniem są ogniwa fotowoltaiczne, produkujące prąd ze światła słonecznego (tu się kłania możliwość wyżywienia Trzeciego Świata - jak będą mieli tani prąd, to łatwiej będzie o wodę; gdy łatwiej będzie o wodę, to łatwiej będzie o żywność...). Możliwość połączenia grafenu z molekułami organicznymi sprawia, że energię ze światła będziemy pozyskiwać według starej, dobrej i sprawdzonej technologii, to znaczy tak, jak robią to rośliny.

Dzięki cechom grafenu będzie też można przechowywać prąd w ultrakondensatorach. Dziś w naszym elektrycznym świecie przechowywanie prądu jest wielkim problemem. Można przechowywać go w kondensatorach, które składają się z cienkich warstw przewodnika oddzielonych izolatorem. Odpowiednio domieszkowany grafen (uzupełniony np. atomami wodoru) jest izolatorem. Kondensator składający się z miliona warstw grafenowego przewodnika i izolatora wciąż będzie cieńszy niż milimetr. A będzie można w nim przechowywać energię potrzebną do pracy telefonu komórkowego nie przez tydzień, a przez pół roku - prawda, że kusząca perspektywa? Dodatkowo przechowywanie prądu jest największą bolączką elektrowni słonecznych, bo przez pół doby nie produkują prądu i co gorsza, akurat wtedy, kiedy tego prądu potrzeba więcej. Ultrakondensatory rozwiązują też ten problem.

***

Jak widać, tegoroczny związek nagród Nobla z fizyki i chemii jest tak mocny, jak mocne są wiązania między atomami węgla. Z jednej strony mamy dobrze znaną i powszechnie wykorzystywaną technologię chemiczną, z drugiej strony materiał przyszłości, a w środku jest węgiel.

Marcin Bójko (ur. 1971 r.) po studiach na wydziale Matematyki Mechaniki i Informatyki UW rozpoczął karierę dziennikarską kolejno w działach naukowych "Gazety Wyborczej", "Newsweeka", "Ozonu" i "Dziennika". Obecnie jest redaktorem naczelnym miesięcznika "Digital Foto Video".