Фулерени: наноматеријали будућности 20 година након открића

Transcript

1 Природне науке Natural sciences Eстественныe науки Фулерени: наноматеријали будућности 20 година након открића 435 Прогонством из Раја, буђењем свесног, пр ви љу ди су се су о чи ли са ћу ди ма приро де. Оп ста нак љу ди на Зе мљи за ви сио је упра во од њи хо вог но во на ста лог од но са са при ро дом; ка ко јој се при ла го ди ти, разумети је и како је напослетку искористити за потребе свесног. Развојем људске цивилизације померале су се и границе могућег; оно што је некада било немогуће и плод ма ште (под мор ни ца у де лу Ми ља под мо рем, Жила Вер на), то је у данашње време ако немогуће, онда засигурно извесно. У ери високих технологија у све му се мно го на пре до ва ло, али су не ка открића и решења остављена по страни, зато што нису постојали материјали за њихову реализацију. Тако је прошао и биочип, изванредно достигнуће, које нажалост није могло да заживи осамдесетих година, пошто није постојао матери јал ко ји би га на пра ви на чин про пратио. Али, ка ко то обич но би ва, људ ска ма шта, спо соб ност, и на кра ју при ро да увек нас на не ки на чин де ман ту ју. Тим на уч ни ка на че лу са Кро том, Смо ли јем и Крлом године открива потпуно но ву фор му угље ни ка, за ко ју ови на учници добијају Нобелову награду за хемију го ди не. Убр зо по от кри ћу, син те тизована је читава фамилија затворених угљеничних кластера, са симетријом која им омогућава потпуно нова физичка и хе миј ска свој ства, што отва ра вра та потпу но но вим тех но ло ги ја ма. Новооткривени молекул састоји се од 60 атома угљеника организованих по површини лопте, распоређених у 12 пента го на и 20 хек са го на, баш као фуд бал ска лопта ( фудбален ). Оваква организација и симетријска уређеност овоме молекулу даје особину димензионалности 0D (кристализација око тачке), па центар инверзије постаје главни симетријски елемент уре ђе ња струк ту ре. Изглед молекула подсетио је ове научнике на дело чувеног архитекте Баксминсте ра Фу ле ра, по чи јем jе про јек ту године у Монтреалу изграђен амерички изложбени павиљон. У његову част овај молекул (C 60 ) до био је име бак смин стер фулерен (БАКИ). То је у ства ри нај и зра зи ти ји представник фулерена и, поред графита и дијаманта, трећа, кристална форма угљени ка. Док пр ве две фор ме угље ни ка (ди јамант и гра фит) кри ста ли шу у окви ру 32 кристалографске групе, дотле овај молекул гради форму која је са симетријске тачке гледишта на вишем нивоу уређености. Да 31 Aktuelno.indd :46:12

2 436 би се ство ри ла та ква струк ту ра у си сте му тачкасте симетрије, којој иначе припадају и 32 кристалографске групе, морала се формирати оса петог реда, које у класичној кристалографији (транслационој симетрији) нема, а овај молекул је поседује. Поред оса петог реда, које се односе на пентагоне, он има и осе тре ћег ре да (хек са го ни), и осе другог реда (дупле везе), као и инверзну тачку симетрије. До овог открића сматрало се да оса пе тог ре да (у окви ру кри ста ло графије) није могућа у природи. Али, како то бива, наука и пре свега природа показале су да ни је та ко. И док је наука славила производњу првих количина фулерена, а нарочито молекула C 60, по ка за ло се да су и са да, по ко зна који пут, људи само препознали оно што је у при ро ди од вај ка да и би ло. Наиме, новопронађена форма угљеника, за коју се мислило да је произведена само у лабораторији, пронађена је накнадно у неким стенама у Русији, као и у Колораду, САД. Али оно што је најинтересантније је сте чи ње ни ца да нам је ова фор ма угљени ка све вре ме би ла пред очи ма, јер се фулерени налазе и у пламену свеће док гори (открили су то научници са МИТ универзитета у Бостону). Тако су се по ко зна који пут људи уверили да ништа ново не проналазе, већ само читају невидљиве з а писе које је природа одавно исписала за нас. А ти за пи си не на ла зе се са мо око нас, већ су и ду бо ко у на ма на не све сном нивоу (у биомолекуларним структурама које изграђују нашу свест), у прилог чему иде и чи ње ни ца да је упра во ова кав мо лекул ( фудбален ) прижељкивао и јапански истраживач Osawa још го ди не. Он је сма трао да би упра во та ква јед на структура могла бити основа за суперарома тич ни мо ле кул (с тим што се от кри ћем фудбалена сазнало да он заправо уопште није ароматичан, не спада у хемију ароматичних угљеникових једињења). У чему је да кле тај на? Тај на је у мо гу ћем при сту пу овом молекулу и читавој фамилији угљеничних кластера, јер када нека структура једном доведе у питање научни доказ (оса пе тог ре да не мо же да по сто ји у окви ру 32 кристалографске групе?!), онда је за проучавање таквих структура потребан потпуно нови научни приступ. Има ју ћи у ви ду струк ту ру фу ле ре на, као и чи ње ни цу да су они из ну тра празни, а да се у мо ле ку лу C 60, у усло ви ма собне температуре, налази вакуум (још нешто што је било немогуће ), развила се потпуно нова подобласт у оквиру хемије, односно су пра хе ми је, такозвана сфероид на хе ми ја. У окви ру ове но ве хе ми је, а уз помоћ различитих хемијских модификација молекула C 60, до шло се до ма те рија ла ко ји су у од но су на кла сич не тро димензионалне материјале (3D) попримили ка рак те ри сти ке 0D (фу ле ре ни ), односно 1D (на но ту бе атоми угљеника су распоређени по површини цилиндра). С друге стране, у својој основној форми молекул C 60 је (са си ме триј ске тач ке гле ди шта) идентичан са клатрином, протеином ко ји ула зи у са став ће лиј ских ве зи ку ла од го вор них за тран спорт ма те ри ја ла и отпуштање неуротрансмитера на синапса ма. Ма да то ни су зна ли, два ис тра живача, независно један од другог, један у Америци (Хамероф) и један у Србији (Ко ру га), ма шта ли су ка ко од угље ни ка да направе биочип по моделу микротубула и клатрина. Осим то га, мо же се повући паралела између једног ланца ДНК и нанотуба, тако да долазимо до новог пој ма ко до ге них ма те ри ја ла. Под ко до ге ним на но ма те ри ја ли ма под - р а з у ме в а мо по с е б н у вр с т у м а те ри ја ла ко ји по ред сво јих ма лих ди мен зи ја, на нанометарској скали, имају и особину да кодирају информациони садржај за 31 Aktuelno.indd :47:02

3 оперативно функционисање дела подсисте ма или це лог си сте ма, или да слу жи за структуралну изградњу микро и ма кро система. Један од најбоље изучених кодогених наноматеријала који кодира структуралну изградњу система је ДНК. Међутим, по сле се квен ци о ни ра ња ху ма ног ге но ма по ка за ло се да је са мо око 8% ДНК од говорно за производњу протеина (основних градивних елемената биолошких система), док преостали део служи за кодирање функционисања комплексног људског организма. Сматра се да овај први информациони систем ДНК припада класичном информационом каналу, док овај дру ги, пре ма проф. Коруги, припада квантном комуникационом каналу. Овакав закључак следи из чињенице да је код нижих биолошких врста овај однос обрнуто пропорционалан њиховој сложености (код парамецијума тај однос је 90% према 10%). Други значајни биолошки кодогени молекули, који учествују у функционисању ћелије (цитоскелетон) и организма (акупунктурни систем) јесу ми кро ту бу ле. Сви оста ли би о мо ле ку ли с у т а ко ђе на но ко до г е не с т р у кт ур е, а ли локалног карактера (изузетак може да бу де во да, али за њу још не ма чвр стих научних доказа; или, можда, ми немамо довољног знања да је објаснимо). На осно ву из ло же ног ма што ви ти чи та - лац мо же до ћи до по ми сли да је на не ки начин могуће направити машину која мисли. Ту могућност оставићемо неком но вом Жилу Вер ну, или Ар ту ру Клар ку. Научници су даљим развојем ове области различитим модификацијама фулерена, развијајући науку о наноматеријалима, отворили нове могућности примене у готово свим областима науке, а тиме и простор за рађање нових технологија. Будући да је пречник молекула C 60 са мо је дан на нометар (милијардити део од метра) 1), то се и нове технологије зову нанотехнологије. По ста вља се пи та ње шта је био онај основни импулс тако наглом ширењу нанотехнологија на готово све сегменте с а в р е ме не на у ке? На но м а те ри ј а ли с у довели до развоја нанотехнологија, које су показале одређене предности у односу на постојеће класичне технологије. То је дало нови подстрек државном и приватном финансирању пројеката у разним областима, нарочито у високоразвијеним зе мља ма, као што су САД, Ја пан и Европска Уни ја. Ово је до ве ло и до пре о ри јентације великог дела истраживача на нанотехнологије, што је посебно изражено у области науке о материјалима и њиховим применама. Међутим, велики број истраживача по инерцији формалне логике под наном атери ја ли м а под р аз умев а с в е материјале који су нанометарске величи не, што не од го ва ра пра вој при ро ди наноматеријала. Зато је веома важно издвојити две групе материјала: наноматеријале и квазинаноматеријале, односно наноструктурне м а те ри ја ле. На но м а теријали су оне структуре чији се димензионални раст своди на три структуралне фор ме 0D (кристализација око физичке 437 1) У последњих десет година у савременој науци све чешће је присутан префикс на но, од наноматеријала, наносистема, наномедицине и др. па све до назива на но тех но ло ги је. На грч ком на но зна чи па ту љак, а у фи зи ци на но представља ред величине 10-9 (де сет на минус девети) међу основним мерним јединицама у датом (ИСО) мер ном си сте му. Да бисмо имали осећај о колико малим величинама је реч, довољно је направити следе ће по ре ђе ње: је дан ми ли ме тар пре ма јед ном ки ло ме тру од но си се исто као и је дан нанометар према једном милиметру. 31 Aktuelno.indd :47:03

4 438 тачке), 1D (кристализација око линије) и 2D (уређене структуре у форми нанофилмова). Може постојати и 3D на но м а те ри - јал, али раст основне кристалне ћелије мора бити заустављен у домену нановеличине и мора да задовољи додатне кри те ри ју ме као што су самосличност (део се по на ша и има све осо би не као и целина) и с а м о у ре ђе нос т. Ово зна чи да се једино структуре које поседују природно ограничење просторног раста на нанометарском нивоу, у једној од поменутих димензија, могу назвати наноматеријалом. Наноструктурни материјали су пак они материјали који немају овај природни лимит у расту на нанометарском нивоу, мада им структуре зрна могу бити нанометарске. Они не поседују истовремено особине самосличности и самоуређености, већ са мо јед ну од њих, а нај че шће ниједну. На кон от кри ћа фу ле ре на, а по себ но молекула C 60 и њихове масовније производ ње, по че ло се и са њи хо вим хе миј ским трансформацијама. Једно од значајнијих от кри ћа, на кон фу ле ре на, би ло је от кри ће угљеничних нанотуба од стране јапанског истраживача Иџиме. Угљеничне нанотубе представљају једнодимензионалне наноструктуре (слично биолошким ми кро ту бу ла ма), и мо гу би ти отво ре не или за тво ре не на сво јим кра је ви ма. Са мо име на но ту бе ука зу је нам да је њи хов пречник реда величине нанометра, док се за тва ра ње на но ту ба вр ши од го ва ра јућим преполовљеним фулеренима. За сада најбољи модел формирања нанотуба дао је наш ис тра жи вач проф. Дам ња новић. Посебну примену нанотубе имају у наноелектроници, као везни делови различитих нанокомпоненти, као што су полупроводници и проводници; или се користе у одређеним хемијским трансфор ма ци ја ма. Оно што је ве о ма ин тересантно јесте чињеница да је њихова затезна чврстоћа око десет пута већа од затезне чврстоће челика, што је нашло примену у машинству (израда ужади) и текстилној индустрији. За истраживања Бе о град ске ис тра жи вач ке гру пе посебно су интересантне хелијачне нанотубе и ендохедралне нанотубе, односно нанотубе у чију је цилиндричну унутрашњост убачен инкапсулирани фулерен. Једна од реализација на овом пољу била је инкапсулација калијума у молекул C 60, па је та кав ен дохедрални комплекс унет у једнослојну на но ту бу и на тај на чин оства рен пр ви нанопрекидач. Где су нас још одвеле особине наноматеријала, а посебно молекула C 60? Овај молекул је због своје изузетне стабилности физичких, хемијских и електрооптичких особина отпоран на радиоактивност и хемијску корозију. Због π елек тронског обла ка, ко ји се на ла зи и уну тар мо леку ла C 60 и око ње га, он мо же при ма ти електроне, али их истовремено може и ослобађати, па постоји теоријска могућност да се на про сто ру од око јед ног на номе тра куб ног ускла ди шти 18, 36, 56 и 60 атома водоника. Експерименти су потврди ли 18, 36 и 56, а на ба зи 56 ато ма во до ни ка на пра вљен је у де цем бру го ди не у САД први прототип Ni/C 60 H 56 батерије, која је показала боља својства од Ni/Cd ба те ри је. Научници су године утврдили да када се на температури од -219 о C унесе калијум у C 60, он постаје суперпроводник. Због своје изузетне тврдоће молекули C 60 мо гу по слу жи ти као ми кро скоп ски ма ли ку глич ни ле жа је ви, од но сно као добро мазиво за супербрзе роторе, а може би ти упо тре бљен и као чвр сто го ри во, укључујући и ракетно. Када би се повеза ли ато ми ли ти ју ма и флу о ра уну тар структурног кавеза C 60, ко ји их шти ти од кисеоника у ваздуху, могли би се добити 31 Aktuelno.indd :47:04

5 супер моћни акумулатори. Због насумичног ро ти ра ња елек тро маг нет но по ље C 60 није усмерено, па је интензитет поља релатив но ма ли. По што је тех но ло шким ре шењима могуће контролисати смер ротације, то је мо гу ће до би ти усме ре но елек тро магнетно поље далеко већег интензитета. Ства ра њем ма кро скоп ског ма те ри ја ла од тако модификованих молекула добили би се ве о ма упо тре бљи ви елек тро маг не ти и магнетни суперпроводници за класичне и квантне технологије. Као што је већ по ме ну то, чи та ва фа милија фулерена је структурно-енергетски компатибилна са фамилијом клатрина, што пружа могућност значајне примене фулерена у медицини и фармацији. Оп ште је по зна то да је ве ћи на ме ди цинских истраживања усмерена ка решавању проблема лечења канцера и СИДЕ, па су амерички истраживачи на челу са проф. Вудлом креирали неколико функционализованих фулеренских деривата који су показали добра својства при лечењу ових болести. Један од примера је C 60 ден дритног типа, који је показао инхибиторско свој ство ХИВ-1 протеазе, док је други фотоак ти вирани во до ра створ ни моно функ - ционализовани C 60 показао цепање ДНК активности и in vi tro на HeLa S 3 ћелијске линије, при чему ових активности нема у одсуству светлости. У дендритне фулерене спадају и липопротеини, имајући у виду њихову структуру. Липидни билејери, који су саставни део природних мембрана, у ствари су дводимензионални системи са брзом динамиком. Липопротеи ни има ју је дин стве ну ела стич ност ко ја доводи до многих примена у биомолекуларним реакцијама, као што су биокомпатибилизација површина, пренос лекова, биоактивних супстанци и друго. Фу ле р е ни и њ ихови модифико в а ни комплекси које граде са другим једињењи ма по ка за ли су и мо гућ ност от клањања слободних радикала. Недавно су истраживачи при проучавању дејства мо ле к у ла C 60 на слободне радикале креирали више комплекса и дошли до веома значајних открића. Ови комплекси су показали могућност примене у медицини као антиоксиданти, инхибитори липида и липопротеина, као антипролиферативни агенти T-лимфоидних ћелија леукемије, као чистачи слободних радикала у исхемији мозга, као и другим неуролошким бо ле сти ма, као што су епи леп си ја и Паркинсонова болест. У биомедицини се даље предлаже да се као начин лечења тумора примени ме то да ко јом би се у уну тра шњост мо лекула убацили радиоактивни атоми, при то ме би π елек трон ска ба ри је ра и фе номен релативистичког Доплеровог ефекта (због велике брзине ротације молекула) могли обезбедити да се одржи целовитост радиоизотопа после њиховог уношења у организам. Када радиоизотоп заробљен фулереном дође на малигно место, тада се ка вез под деј ством спољ њег зра че ња може отворити и радиоизотоп ће тада деловати циљано. Фулерени су значајни и због тога што могу градити најразличитије хемијске ком плек се, та ко да су и мно ги фу ле рен ски де ри ва ти на шли сво је при ме не. Са ста нови шта ме ди ци не и фар ма ци је од по себ ног с у ин те р е с а они ко ји с у в о до р а с т в о р ни. Посебно су дизајнирани, односно синтетисани фулеренски деривати, који се ко ри сте као ан ти ок си дан ти, ади ти ви за про из вод њу хра не, као суп сти ту ен ти за ви та мин Ц, као агенси који успоравају старење коже и користе се за производњу кре ма (anti-age креме), тонизирајућих лосиона и других козметичких препарата. Одређеним функционализацијама, због своје величине (1 nm), молекул C Aktuelno.indd :47:05

6 440 може да прође кроз ћелијску мембрану и у ће ли ју уне се би о ак тив ну суп стан цу или ме ди ка мент, мно го ве ћи (ду жи) од ње га са мог. Бе о град ска ис тра жи вач ка гру па је показала да је његова симетрија и енергија заснована на закону златног пресека и да је компатибилан са биомолекулима, што му омо гу ћа ва да на кон ула ска у тки во хар мо ни зу је рад ће ли је, та ко што као највише уређена симетријска структура утиче на енергетске процесе и подиже их на природни ниво (виши симетријски ниво), чиме практично врши хармонизацију рада ћелије и враћање њених иницијалних природних способности. Ова особи на молек ула C 60 највероватније утиче на лечење рана, потпомажући њихово брже и природније зарастање. Због свог сфер ног об ли ка, струк турних својстава и закона електронско-вибраци о но-ро та ци о не енер ги је, ко ји се ба зирају на закону златног пресека, могуће је од овог материјала направити високопаралелне мреже на молекуларном нивоу ко је би има ле свој ства ве о ма слич на биолошким молекуларним мрежама у ће ли ји. На тај на чин би би ло мо гу ће развити посебну врсту нанотехнологије којом би се развиле будуће молекуларне ин фор ма ци о не ма ши не, по фор ми слич не, а по садржају комплементарне биомолекули ма. Сма тра се да би овај при ступ ре волуционарно утицао на развој технике и биомедицине, јер би омогућио директно по ве зи ва ње ма кро скоп ских елек трон ских направа и биолошких структура одговорних за функционисање ћелије. Како време цивилизацијског часовника све ви ше од ми че, то се све ви ше уви ђа да је техника без медицине слепа, а медицина без технике немоћна. Лепота симетрије молекула C 60, као и широке могућности примене у многим областима, побудила је пажњу и истражив а ча кој и с е б а в е не с а мо здр ављ ем нег о и лепотом. Тако је међу првим патентима у области фулерена пријављен и патент познате козметичке куће Л Ореал, ко ји су фулерене применили у естетској козметици. Истраживачи ове козметичке куће су применили фулерене као пигменте и као хранљиве продукте за побољшање квалитета производа за негу косе, коже, очи ју и нок ти ју. Они су сво је пред но сти посебно показали у производњи сенила за очи, ајлајнера, маскара, пудера у праху и теч них, ру же ва за обра зе и усне и пигмент них кре ма. Циљ нам је био да по ред упо зна ва ња са физичким основама наноматеријала и нанотехнологијама представимо нове приступе у нанотехнологијама. Нове технологије, нанотехнологије биће остварљи ве и до сти жне је ди но ако се њи ма приступи на нов природан начин, поштујући природне законе, јер простим применама наноматеријала на данашњи вештачки-технички начин, наћи ћемо се опет у неким новим проблемима. Наноматеријали су померили неке до сада важеће принципе класичног приступа (фи зи ке и хе ми је), као што је то не ка да, на теоријском плану, урадила квантна теорија. Овде је важно нагласити да нам ни класична, а ни квантна теорија не могу у по тп унос т и дат и одг ов ор е на ф е номе не које испољавају фулерени. Слично је и са би о молек улим а поп у т ДНК, клатрина и ми кро ту бу ла, ко ји не функ ци о ни шу у потпуности по поменутим теоријама, већ иманентно поседују фракталност, елементе самосличности, просторно-временске симетрије и елементе детерминистичког хаоса, па се намеће проширење физике на фрак тал ну ме ха ни ку или ин фор ма циону физику, ко је ће се осим по сто је ћим класичним законима и енергетским кванти ма ба ви ти и ин фор ма ци о ним кван ти ма, 31 Aktuelno.indd :47:05

7 односно везама између информације и организације, с једне стране, односно ма се и енер ги је, са дру ге стра не. Јед ном речју, фулерени, њихови деривати и на њиховим својствима засноване нанотехно ло ги је већ у ско рој бу дућ но сти у пот пуности ће променити начин и стил живота савременог човека. Лидија Матија (Београд) Aktuelno.indd :47:06