Nanotechnologia jest dziedziną nauki i technologii, która zajmuje się tworzeniem materiałów oraz struktur na skalę nanometryczną, czyli…

...w zakresie miliardowych części metra (przynajmniej w jednym wymiarze)! Nanomateriały są niezwykle ciekawym obiektem badawczym dla naukowców, którzy wymyślają coraz to nowsze możliwości ich zastosowania. Przykładem nanomateriałów mogą być nanorurki węglowe (ang. Carbon Nanotubes - CNT). Nanorurki węglowe to arkusze grafenu zwinięte w formie cylindrów (Rys. 1). Zasadniczo dzielą się na dwie klasy: jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT) i wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT). MWCNT składa się z kilku warstw oplecionych wokół siebie, tworząc strukturę w postaci tuby. SWCNT z drugiej strony, składa się z pojedynczej warstwy węglowych płaszczyzn oplecionej wokół siebie, tworząc cienką tubę. Z kolei warto przypomnieć, że grafen to jednowarstwowy, dwuwymiarowy materiał składający się z atomów węgla ułożonych w strukturę podobną do plastra miodu. Jest to najcieńsza i najmocniejsza forma węgla, która nadaje nanorurkom ich niezwykłych właściwości.

Rysunek 1. Grafen (u góry) o strukturze “plastra miodu” oraz jednościenne nanorurki (SWCNT) powstałe z grafenu (środek) i wielościenne nanorurki (MWCNT) z grafenu (dół) [2].

Natomiast, czy peleryna niewidka może istnieć? Może!

Nauka sprawia, że fantastyka staje się rzeczywistością, choć… nie do końca. Pomimo wielu różnic z peleryną niewidką, naukowcy używając przykładowo właśnie nanorurek węglowych projektują materiały po to, aby sprzęt wojskowy stał się “niewidoczny” dla przeciwnika. Co ciekawe nad takimi rozwiązaniami pracuje także grupa naukowców z Polski, pod kierownictwem profesora Sławomira Boncela. Grupa ta pracuje technikami Stealth (z ang. skradanie się, ukradkowość), czyli technikami mającymi na celu zredukowanie wykrywalności obiektu zarówno za pomocą wzroku,słuchu jak i np. radarów wojskowych. 

Stealth znajdują zastosowanie w projektowaniu samolotów i okrętów, które mają przeprowadzać ciche i niezauważalne dla wroga ataki. Wykorzystanie różnych form węgla w technologiach Stealth, nie jest czymś nowym - pomysły takie padały już w latach 30-tych XX wieku, kiedy opracowano pierwszy materiał pochłaniający promieniowanie (RAM), który wykorzystywał m.in. czarny węgiel (Carbon Black). 

Radary wojskowe emitują promieniowanie elektromagnetyczne, które odbijając się od samolotów wracają do odbiornika - między innymi tak wykrywa się samoloty wroga. RAM pozwala na pochłonięcie lub rozproszenie takiego promieniowania, czując samolot “niewidzialnym”. Taką “niewidzialność” mogą zapewniać specjalne powłoki i farby, lakiery oraz także sam kształt samolotu. Rozwój materiałów RAM towarzyszył ciągłemu postępowi w budowie coraz bardziej zaawansowanych radarów, zatem i do RAM potrzeba było coraz to lepszych materiałów.

Sądzi się, że nanorurki węglowe to jedna z najbardziej obiecujących składowych RAM-ów. Unikalna budowa grafenu i samych nanorurek nadaje CNT niezwykłą kombinację właściwości elektromagnetycznych, mechanicznych i chemicznych. Dodatkowo CNT przyciągają dużą uwagę ze względu na ich lekkość, dużą powierzchnię, dobrą przewodność elektryczną, elastyczność oraz dużą odporność na korozję. 

Nanorurki węglowe są też prostsze i tańsze w produkcji niż np. grafen, który pomimo dobrych właściwości maskujących przydatnych do RAM, nadal pozostaje materiałem drogim. Nanorurki budzą zainteresowanie naukowców też dlatego, że ten sam efekt ekranowania można osiągnąć przy zawartości 10% czarnego węgla, 5% nanowłókien węglowych oraz tylko 1% wielościennych nanorurek węglowych w powłoce maskującej!

Powłoka jak z Harrego Pottera

Przykładami zastosowań nanorurek węglowych w technologii Stealth, a konkretnie MWCNT, jest powłoka opracowana na Uniwersytecie Michigan w USA. Powłoka działa trochę jak… peleryna niewidka, która ukrywa trójwymiarową geometrię obiektu, sprawiając, że wygląda jak płaska kartka ciemnego papieru. 

Jak to działa? CNT są niezwykle czarnym materiałem. Prawie doskonale absorbują bardzo szerokie spektrum światła, czyli fal elektromagnetycznych - od fal radiowych aż po ultrafiolet. Naukowcy stworzyli zatem powłokę z nanorurek węglowych, która wygląda trochę jak dywan - nanorurki są na powłoce ustawione pionowo. Aby zwiększyć “moc” pochłaniania światła przez CNT, nanorurki są odpowiednio ułożone na dywanie. 

Powłoka ma grubość około połowy arkusza papieru. Według badaczy, pochłania ona 99,9% światła padającego na nią. Ludzkie oczy postrzegają obiekt na podstawie tego, jak odbija lub rozprasza światło. Współczynnik załamania światła (który jest wielkością opisującą załamanie światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego) tej nowej powłoki jest podobny do wskaźnika załamania powietrza, co oznacza, że światło przechodzące przez powietrze nie rozprasza ani nie odbija się, gdy trafia na powłokę, zostaje całkiem pochłonięte przez MWCNT i… obiekt staje się niewidzialny! 

Co prawda obiekt nadal może rzucać cień i jest płaską czarną plamą więc najlepiej i tak takim zamaskowanym czołgiem jechać po zmroku. Aby przetestować swoją teorię, badacze stworzyli mikroskopijny obraz czołgu na kawałku krzemu. Następnie “wyhodowali” odpowiednią warstwę nanorurek węglowych na całej powierzchni czołgu. Podczas oglądania przez mikroskop kontury czołgu były widoczne pod białym światłem natomiast gdy nałożono powłokę z nanorurek, struktura czołgu zniknęła (Rys. 2)! W tym przypadku dywanik z CNT działa jak idealna magiczna czarna tkanina, która może całkowicie ukryć trójwymiarową strukturę obiektu.

Rysunek 2. Widzialny i niewidzialny, po nałożeniu “dywanu” z nanorurek czołg [3].

NASA się tym interesuje

Właściwości pochłaniania światła przez nanorurki węglowe są również przedmiotem badań w NASA. Agencja kosmiczna prowadzi badania nad wykorzystaniem MWCNT do stworzenia nowego rodzaju czarnej farby, która może być używana w detektorach gdzie niepożądane światło rozproszone powoduje problemy. Co więcej naukowcy wybiegając w przyszłość, uważają, że całe “lasy”, nie tylko “dywany” takiego materiału mogą pewnego dnia zostać użyte do maskowania statków kosmicznych w ciemnej przestrzeni kosmicznej. 

Sądzicie, że może i kiedyś wymyślimy też coś do maskowania samych skafandrów kosmicznych, podobnie jak robili to predatorzy z filmów z serii “Predator”?

Opublikowano w dziale nauki przyrodnicze dnia 07 lis 2023