Tulevikulennukid ja -autod tehakse paberist?
Seda nimetatakse fullereenpaberiks (ingl k buckypaper) ning see näeb välja üsna samasugune nagu tavaline süsinikpaber, kuid ärge laske end eksitada süütust nimest ja haprast välimusest. Fullereenpaber võib peagi teha revolutsiooni materjalide vormimises lennukitest teleriteni.
“Sellised omadused on nanotehnoloogia vallas tegutsevate teadlaste jaoks olnud omamoodi Pühaks graaliks,” ütles USA-s Texase osariigis Houstonis asuva Rice’i Ülikooli teadlane Wade Adams.
See idee — et fullereenpaberil ja ülitillukeste silindrite, nn süsinik-nanotorude muudel tuletistel on tulevikus palju kasulikke rakendusi — on teadusringkondi paelunud juba aastaid. Florida Osariikliku Ülikooli uurijad väidavad nüüd viimaks, et on teinud olulisi edusamme, mis võivad meediakära peagi tegelikkuseks muuta.
Fullereenpaber on valmistatud torukujulistest süsinikumolekulidest, mis on inimese juuksekarvast 50 000 korda õhemad. Tänu ainulaadsetele omadustele nähakse selles uut imematerjali kergete ja energiasäästlike lennumasinate, autode, võimsamate arvutite, parendatud teleriekraanide ja paljude muude toodete valmistamiseks.
Seni on fullereenpaberit suudetud valmistada vaid väikestes kogustes ja kõrge hinnaga; selle tugevus on moodustanud vaid murdosa võimalikust tugevusest. Florida Osariikliku Ülikooli uurijad arendavad aga tootmistehnikaid, mis võivad selle materjali peagi muuta parimaks saadaolevaks komposiitmaterjaliks.
“Kui seda viimaks tootma hakatakse, võib sellest väga kergesti kujuneda äärmiselt uuenduslik või revolutsiooniline tehnoloogia lennunduses,” leidis relvatootja Lockheed Martin raketi- ja kuulitõrje arendamisega tegeleva ning Florida Ülikooli uurimistööd toetava äriüksuse juhataja Les Kramer.
Fullereenpaberini viinud teadusavastus tuli sõna otseses mõttes avakosmosest.
1985. aatsal liitus Rice’i uurijaskonnaga Briti teadur Harry Kroto, eesmärgiks luua maa peal tingimused, mis kehtivad tähtede sisemuses. Nende soov oli saada teada, kuidas tähed — kogu universumis leiduva süsiniku allikad — valmistavad elementi, mis on elu peamiseks ehituskiviks.
Kõik kulges plaanipäraselt — ühe erandiga.
“Täiesti ootamatult ilmnes üks täiendav asjaolu,” meenutas Kroto, kes praegu juhatab Florida Ülikooli programmi, mis tegeleb matemaatika, loodusteaduste ja tehnoloogia õppe edendamisega riigikoolides. “See avastus oli nagu pauk luuavarrest.”
Üllatuskülaliseks osutus kuuekümnest süsinikuaatomist koosnev jalgpallikujuline molekul. Krotole meenutas see Buckminster Fulleri, legendaarse arhitekti, leiutaja ja futuristi propageeritud geodeetilisi kupleid, mis andsid talle tõuke panna uuele molekulile nimeks buckminsterfullereen, lühidalt fullereenikera (ingl k buckyball, ee fullereen-C60).
Fullereeni — kolmanda pärast grafiiti ja teemanti avastatud süsiniku puhta vormi — avastamise eest pälvisid Kroto ning tema kolleegid Rice’ist, Robert Curl, Jr. ja Richard E. Smalley 1996. aastal Nobeli keemiapreemia.
Neist eraldi ja samal ajal arendas Jaapani füüsik Sumio Iijima Arizona Osariiklikus Ülikoolis uurimistööd tehes välja fullereeni torukujulise vormi.
Smalley labori uurijad avastasid seejärel juhuslikult, et vedelasse suspensiooni lahustatud ja seejärel läbi õhukese võrgu sõelutud fullereentorud kleepuvad kokku, moodustades õhukese kile — fullereenpaberi.
Materjali vastupidavuse saladus peitub iga nanotoru tohutusuures pinnas, selgitab Florida Osariikliku Ülikooli Ülimaterjalide Instituudi direktor Ben Wang.
“Kui võtta vaid gramm nanotorusid ja keerata iga toru lahti grafiidileheks, saaks sellega katta kaks kolmandikku jalgpalliväljakut,” tõi Wang näite.
Süsinik-nanotorusid kasutatakse juba tennisereketite ja jalgrataste tugevdamiseks, kuid väikestes kogustes. Neis rakendustes kasutatud epoksiitvaigud sisaldavad üks kuni viis protsenti süsinik-nanotorusid, mis lisatakse peene pulbri kujul. Fullereenpaber, mis kujutab endast pigem õhukest kilet kui pulbrit, sisaldab nanotorusid palju rohkem — umbes 50 protsendi jagu.
Üks takistus uudse materjali rakendamisele on asjaolu, et torud kipuvad liituma suvaliste nurkade all, mis kahandab fullereenpaberi tugevust. Wang koos kolleegidega on leidnud lahenduse. Torude mõjutamine tugeva magnetväljaga pöörab enamiku neist samasse suunda, kasvatades sel moel nende kollektiivset vastupidavust.
Teine probleem on, et torud on nii ideaalselt siledad, et neid on epoksiidiga raske koos hoida. Uurijad otsivad võimalusi tekitada mõningaid pinnadefekte — aga mitte liiga palju —, et liitumiskoefitsienti parandada.
Seni on Florida Ülikooli instituudil õnnestunud valmistada parimast teadaolevast komposiitmaterjalist, mida tuntakse nime IM7 all, poole nõrgemat fullereenpaberit. Wang loodab lünga peagi täita.
“Järgmise aasta lõpuks peaks meil olema fullereenpaberist komposiit, mis on sama tugev kui IM7, aga 35 protsenti kergem,” kinnitas Wang.
Fullereenpaberit valmistatakse praegu ainult laboratooriumis, kuid Florida Ülikooli väitel on selle kommertstootmisega tegeleva firma asutamine juba alanud.
“Meile on juba demonstreeritud materjale, mida saaks kasutada lennusüsteemides,” ütles Rice’i Richard E. Smalley nimelise Nanomastaapteaduste ja -tehnoloogia Instituudi direktor Adams. “Käegakatsutavad tulemused on nanotehnoloogias tõsiseltvõetavateks saavutusteks.”
Uute strukturaalmaterjalide sertifitseerimine lennunduse tarbeks võtab kuni viis aastat aega, mistõttu loodab Wang fullereenpaberit esmakasutuses näha lennukite elektromagnetilise interferentsi ja välgutabamuse kaitsekilpides.
Elektroonilised ahelad ja isegi looduslikud nähtused nagu päike või virmalised võivad segada raadiosidet ja häirida muude elektroonikakomponentide tööd. Fullereenpaber pakub kuni neli korda paremat kaitset sellest, mida nõuab Õhujõudude äsjane lepingupakkumine, kinnitas Wang.
Tavalistesse komposiitmaterjalidesse lisatakse kaitseks äikese eest enamasti vasktraadist võrk. Vase asendamine fullereenpaberiga alandaks kaalu ja säästaks kütust.
Wang demonstreeris seda komposiitmaterjalist mudellennuki ja taseri abiga. Mudeli katmata osa tulistamine elektripüstolist tekitas sädemepilve. Lennuki fullereenpaberi ribaga kaitstud osast libises laeng aga viga tegemata üle.
Muud võimalikud kasutusalad lähitulevikus on elektroodid kütuseelementidele, ülikondensaatoritele ja akudele, väitis Wang. Järgmiseks võiks fullereenpaberist valmistada tõhusamaid ja kergemaid aseaineid grafiitlehtedele, mille abil sülearvutites elektroonikale kahjulikku soojust hajutatakse.
Pikemas perspektiivis on eesmärgiks lennukite, autode ja muude komposiitkeredega liikurite valmistamine. Ka sõjavägi tunneb materjali vastu huvi, uurides selle kasutamise võimalikkust soomusplaatides ja radarinähtamatuse ehk stealth-tehnoloogias.
“Meie plaani kohaselt peaksid esimesed kommertsrakendused välja tulema järgmise 12 kuu jooksul,” lubas Wang. “On ilmne, et nanotorud pole enam ainuüksi laboratoorsed imed — nüüd on neil potentsiaali ka tegelikus maailmas.”
