VAKUUMIST 21/2(2001) ISSN 0351-9716 Sinteza nanocevk M0S2 - odmevno odkritje znanstvenikov z Instituta "Jožef Stefan" V članku z naslovom "Se If-Assembly of Sub-Nanometer Diameter Single-Wall M0S2 Nanotubes" (avtorji članka so: Maja Remškar, Aleš Mrzel, Zora škraba, Jure Demšar, Adolf Jesih, Miran Čeh, Dragan Mi-hailovič, Pierre Stadelmann in Francis Levy, Science, vol. 292, št. 5516. (2001)), ki je izšel 20. aprila letos v ugledni angleški reviji Science, so raziskovalci z US objavili pomemben dosežek na področju nanotehnolo-gije. Objavljeni Članek je rezultat plodnega sodelovanja raziskovalcev z različnih odsekov na Institutu "Jožef Stefan": Odseka za fiziko trdne snovi {dr. Maja Remškar, dr. Aleš Mrzel, Zora Škraba, dr. Jure Demšar, dr. Dragan Mihailovič), Odseka ?a anorgansko kemijo in tehnologijo (dr. Adolf Jesih) in Odseka za keramiko (dr. Miran Ceh) kot tudi sodelovanja s švicarskimi partnerji iz "Ecole Polytechnique federale de Lausanne" {dr. Pierre Stadelmann in dr. Francis Levy). To pomembno delo pomeni nadaljevanje uspešnih raziskav mikro- in nanocevk dihalkogenidov prehodnih kovin, s katerimi se ukvarja dr. Maja Remškar, in raziskav fule-renov in ogljikovih nanocevk, ki potekajo v skupini prof. dr. Dragana Mihailoviča. Plastni kristali dihalkogenidov prehodnih kovin so sicer že več kot tridesetlet predmet intezivnih raziskav Laboratorija za elektronsko mikroskopijo na Institutu "Jožef Stefan". Raziskave je vodil zdaj že pokojni prof. Velibor Marinkovič. V omenjenem delu avtorji najprej opišejo sintezo makroskopskih količin nanocevčic M0S2 z novo kemijsko transportno reakcijo, katalizirano s fulerenom C60. ki je uspela dr. Maji Remškar in dr. Alešu Mrzelu. Nano-cevke so zrasle iz prahu M0S2 v ampuli iz kremenovega stekla, ki je bila evakuirana na tlak približno 103 Pa in segreta na 1010 K. Temperaturni gradient v ampuli je bil 6K/cm. Prahu M0S2 so dodali majhno količino fulerena C60 (5 mas. %). ki je spodbudil rast nanocevk. Jod, ki so ga dodali (približno 15 mas.%), je omogočil transport atomov molibdena iz prahu M0S2 na visoko-temperaturnem koncu ampule do nanocevk, ki so rasle na nizkotemperaturnem koncu ampule kremenovega stekla, pravokotno na njeno steno. Reakcija je potekala 22 dni. Atomi joda so se med sintezo ujeli v kanale med cevkami. Jod so odstranili s segrevanjem v vakuumu, C60 pa so z nanocevk odtopili s toluenom. Nanocevke so bile na površini kremenove stene v obliki snopov, ki vsebujejo nad 500.000 urejenih nanocevk. Snope nanocevk so razstavili na posamezne nanocevke z disperzijo v etanolu z ultrazvokom. Mehanizem rasti z uporabo fulerena C60 Še ni pojasnjen. S spektroskopijo izgube energije elektronov (Energy Electron Loss Spectrometry, EELS) so ugotovili, da se fuleren C60 ni vgradil v nanocevke. Dejstvo, da sinteza brez njega ne steče, pa kaže na to, da deluje pri rasti nanocevk M0S2 kot katalizator. Ugotovili so tudi, da so nanocevke M0S2 časovno in kemijsko obstojne pri normalnih zračnih pogojih. V nadaljevanju Članka avtorji opisujejo določanje strukture nanocevčic. Z elektronsko mikroskopijo avtorji ugotavljajo, da so nanocevčice samoorganizirane v igličaste snope z značilnimi premeri okoli 0,5 mikrometra in dolžinami nekaj deset mikrometrov (slika 2). Visokoločljivostna presevna elektronska mikroskopija pokaže pravilno zložitev nanocevk v kristalu kot tudi atomsko zgradbo posamezne cevke (slika 3). Razdalja med centri cevk je 0,96 nanometra. V nadaljevanju avtorji opišejo razpršitev molekulskih kristalov z ultrazvokom in prikažejo slike tako dobljenih posameznih nanocevk. Stene nanocevk so zgrajene iz ene same molekulske plasti S-Mo-S, premer pa je primerljiv celo z najmanjšimi nanocevkami ogljika. Na osnovi vseh dobljenih eksperimentalnih podatkov predpostavijo model, ki pojasnjuje tako strukturo nanocevčic kot tudi način njihovega samoorganiziranja v snope (slika 4). M0S2 je predstavnik skupine dihalkogenidov prehodnih kovin TX2, kjer je T prehodna kovina (npr. volfram, molibden, cirkonij, hafnij, titan, renij, niobij) in X halko-gen (npr. selen, žveplo). Te spojine spadajo v družino plastnih kristalov, kjer se izmenjujejo plasti prehodne Self-Assembly of Subn a no meter- Di a meter Single-Wall MoS2 Nanotubes hi). Ramakar." Mm Mm*.' Zen 5*. aba. Adolf jmh. Miran Ca*,1 Jut* DanaUr,1 Hot« MadtlmMn.1 Fundi Utvy.' Dragan Ml hallo vk1 Wo r*pci on ttw lyithaat. iii.irii.f-. and taltataambiy of (inglt»Ml lub tinonate'-olam*tcr molybdenum dliutto« tub«*. The nenotuba art up 10 hjndrodi of m*Tomew» toraj and dtieaay drver« Mif-awnbly pra(«t« Ot diHfpni lnofih mlr\. "xtf "¦ from iwlwed bundlai to ragujrly lhapec ~fu*y" formi. The bundtea. which contain inccrrirtei rodl "* can be raadlty dlieuam Dted imo ndlvidua. motybdenum <&tiilio. umU wiih tnr (mill dtntrniöto. high aniauirnpy. ual «cici Ing aihr-like Unxnoe*. Jheae naff ftcan a vinery m ifaantum efl«^* Jc aanomhra wiUi diameters of a (nna-nnanlf !Si. *|,0„hollo— micro u,li'.l.-k.i(.'.i>T.s,]9^i ICCOUi:U«d • ion La—ni, SMuiibnc. To ¦bo- («¦Bpw*«' **"» *a a**«ta I Pbera («X and NO, nurtnHü ((7) Other layered compoaark «Kb at h*&. im aad GaSc i/flk have ban the thbtrcl el enemive thea-eocal aUraCaBoca. wrudi hi>c (•nlcl^t r>»iltx'if> ('t iheu flaSVj in tylin- drkal form and turn uaercAra; elfcconic We rcpori CO U»e lynthuti and hjim -:i ¦; ..if t [.-orefUti o I "UP' "'-' ¦! '"¦ kt raonoraolccular MoS, iirajc-»al< non,v tubci (SWMTt) prnducrd by a cautyvod oanapon reaction invcl-i"( (^ aoJ ihn« AM the MoS, nnowbta no» m r-mod citira! burnld •* -lenanll. BCtierajfd mot rcuW tOuck lovelber ~i0> iiAcraUtial lOdtK The rubra vary only ia Icrtaih. hvi ora ¦ caacMR. Hk *..-»;c-'.ii MoS. Diocaubra -?"¦ (n~n by a caralym) mnwocl ntcfeod uUng C«, ai a puaih prumaer ui the leacoca IS: CH(t -r i(*t '¦•! -¦» *Ufl !¦' ¦¦¦;. powder in (he tnauEiott Babe u caetlyn. anil du «.lion mu iwi npully fhr 22 day* at 1010 K in an e>nt-.flto1 »tea ampnUc ai a prcvairc of 10'' Pa -ab a ternprralunr radical ol * Wan. !>¦)« »••¦ _«,! aa a Baiurro iffrt Aforou-maitiy I5^,f thf uanrg raaerul wto> tiat^dcd by the reacoon to form SWMI». wife Ihc rw» neamiia; in the fixm of layered mvenal 1 he Dinaponed rroional war wbtnnienUy rhceoutWy wa4u1 waft loluear to renivc die t' The naupnr&l makral etuwi in the farm of buntfk* orietaul prrr-eeriüilM nt «he aub> Slika 1: Naslovna stran članka "Self-Assembly of Sub-nanometer-Diameter Single-Wall MoSz Nanotubes ", avtorjev: Maja Remškar, Aleš Mrzel, Zora Škraba, Jure Demšar, Adolf Jesih, Miran Čeh, Dragan Mihailovič, Pierre Stadelmann in Francis Levy, objavljenem v aprilski številki revije Science (vol. 292. št 5516. (2001)) *5 ISSN 0351-9716 VAKUUMIST 21/2(2001) kovine in halkogena v zaporedju XTX XTX. M0S2 je tehnološko izredno uporabna spojina, saj se uporablja v več tisoč tonah pri razžvepljevanju nafte in v mazivih, v zadnjem času pa potekajo zelo intenzivne raziskave njegove uporabe tudi v sončnih celicah, fotokopirnih napravah in baterijah. Nova oblika M0S2 bi lahko imela zaradi popolnoma drugačne strukture in majhnosti prečnih dimenzij na nekaterih od teh tehnološko pomembnih področjih bistveno boljše lastnosti od doslej uporabljenih plastnih kristalov M0S2. Slika 2: Vrstični elektronskomikroskopski posnetek snopov nanocevk M0S2. Posamezni snopi so sestavljeni iz pol milijona in več pravilno zloženih nanocevk in so tako prvi primer molekulskih kristalov, pri katerih so gradniki nanocevke. 20 mit .*" A • * m % 4 **** V**< * * * r «V ¦** * V V K * ¦, . X ^ * * A 3 - V V .' - . . ~ Slika 3: Visokoločljivostni elektronskomikroskopski posnetek snopa nanocevk M0S2, pri čemer /e smer elektronskega curka vzporedna z osmi cevk oziroma pravokotna nanje (vstavljena slika). Novo odkritje je torej pomembno ne le kot znanstvena zanimivost, ampak predvsem s stališča tehnološke uporabnosti na zelo različnih področjih. Raziskave in sinteze različnih nanostruktur so danes izredno intenzivne, saj se optične, magnetne in elektronske lastnosti razlikujejo od tistih v monokristalih m so zelo odvisne od njihovih velikosti in geometrije. Posebej zanimive so enodimenzionalne molekularne strukture zaradi različnih kvantnih efektov in možne uporabe v ploščatih zaslonih, v nanolitografiji, v gorivnih celicah ipd. Prof. Reshef Tenne z Weizman Institute ol Science. Rehovot, Izrael, je dosežek slovenskih m švicarskih znanstvenikov označil kot enega najbolj vznemirljivih v tem letu. Opozoril je na dejstvo, da so avtorji članka naredili prve enoplastne nanocevke neke anorganske spojine. Pomembno se mu zdi, da jih lahko pripravijo v večjih količinah in da lahko kontrolirajo njihov premer. Domneva, da bi lahko nanocevke M0S2 uporabili za separacijo plinske mešanice H2/02. Vodikove molekule bi lahko šle skozi nanocevke s premerom 0,96 nm, kisikove molekule pa ne. To lastnost nanocevk M0S2 bi lahko izkoristili v gorivnih celicah. P.P. *««*%*%»*»*»*•* Slika 4: Model strukture nanocevk MoS?. V kanale med cevkami se med sintezo ujamejo atomi joda, ki jih je kasneje mogoče odstraniti s segrevanjem v vakuumu. Večje kroglice predstavljajo atome molibdena, manjše pa atome žvepla. Notranji premer cevk je desetinka nanometra. 16