Οταν τα σκουπίδια μυρίζουν… φρεσκάδα!

Οπως κάθε αχαλίνωτη αυτοκρατορία, ο καταναλωτισμός των εσχάτων ημερών του 20ού αιώνα τώρα καταρρέει. Ομως στα συντρίμμια του δεν βρίσκεις πέτρες, σίδερα και μάρμαρα που θα ανακυκλώνονταν σε μια νέα φάση πολιτισμού. Αντίθετα, βρίσκεις τόνους σκουπιδιών από το «απέθαντο» πλαστικό: βουνά ολόκληρα στη στεριά, νησιά επιπλέοντα στους ωκεανούς. Τι το καλό να κάνεις με αυτό το άχρηστο υλικό, όταν ακόμη και η καύση του εγγυάται επιτάχυνση της κλιματικής αλλαγής;

Στο μνημονιακά αφαιμαγμένο δικό μας μυαλό ίσως δεν έρχεται πια καμιά καλή ιδέα αξιοποίησης των πλαστικών σκουπιδιών, αλλά μακράν των ευρωδεινών εκπληκτικές λύσεις βρέθηκαν. Και υπάρχουν τεχνολογίες έτοιμες να αναδείξουν αυτές τις λύσεις σε θεμέλιο ενός νέου πολιτισμού.

Οι ανιχνευτές φρεσκάδας – όπως ο Sensor-FreshQ, αριστερά – θα αντικατα-σταθούν σύντομα από ετικέτες αισθητήρων, που γίνονται με ψεκασμό νανοσωλήνων άνθρακα (δεξιά)

Στα τέλη του 2009, ο ινδός ερευνητής του Argonne National Laboratory στο Ιλινόις των ΗΠΑ Vilas Ganpat Pol συντάραξε τη χημική βιομηχανία με την ανακάλυψη «συνταγής» μετατροπής του πολυαιθυλενίου (βλέπε πλαστικές σακούλες) σε νανοσωλήνες άνθρακα. Το μυστικό ήταν να «μαγειρεύεις» επί δύο ώρες τα κομμάτια του πολυαιθυλενίου στους 700 βαθμούς Κελσίου, μαζί με έναν καταλύτη αιθυλεστέρα κοβαλτίου. Στις υψηλές αυτές θερμοκρασίες οι χημικοί δεσμοί του πλαστικού έσπαζαν και δομούσαν πάνω στον καταλύτη νανοσωλήνες άνθρακα.

Υπήρχε όμως ένα μειονέκτημα στη μέθοδο του Vilas Ganpat Pol: η ποσότητα καταλύτη που χρειαζόταν έφθανε το ένα πέμπτο της ποσότητας του πλαστικού που αποδομούνταν. Και ενώ οι πεταμένες πλαστικές σακούλες είναι άπειρες, ο καταλύτης αυτός κόστιζε. Η επένδυση άξιζε μόνον αν οι συγκεκριμένοι νανοσωλήνες άνθρακα έμελλε να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή μπαταριών λιθίου-αέρα, καθόσον τα σωματίδια κοβαλτίου του καταλύτη που κατέληγαν στους νανοσωλήνες ενίσχυαν τη ροή ρεύματος στις εν λόγω μπαταρίες.

Εκτοτε, τα ερευνητικά εργαστήρια διαφόρων πανεπιστημίων αποδύθηκαν σε έναν μυστικό μαραθώνιο βελτίωσης της συνταγής του Pol. Το νήμα φαίνεται ότι έκοψε αυτόν τον μήνα πρώτος ο σαουδάραβας διδακτορικός φοιτητής του αυστραλιανού Πανεπιστημίου της Αδελαΐδας, Tariq Altalhi.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μικροσκοπικοί κύλινδροι ατόμων άνθρακα, διαμέτρου μόλις ενός νανόμετρου (1/10.000 της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας). Είναι το ισχυρότερο υλικό που έχει ανακαλυφθεί –εκατοντάδες φορές ισχυρότερο από το ατσάλι, αλλά έξι φορές ελαφρύτερό του –και παρουσιάζει μοναδικές μηχανικές, θερμικές και διελεκτρικές ιδιότητες. Χρησιμοποιείται ήδη στην κατασκευή ηλεκτρονικών και αθλητικών ειδών, μπαταριών μακράς διάρκειας, αισθητήρων, φωτοβολταϊκών κυψελών και πτερύγων ανεμογεννητριών. Ομως το τεράστιο δυναμικό των νανοσωλήνων άνθρακα περιορίζεται από το ότι οι τρέχουσες μέθοδοι σύνθεσής τους περιλαμβάνουν πολύπλοκες διαδικασίες και εξοπλισμό, όπως και από το ότι οι περισσότεροι κατασκευαστές τους κατορθώνουν να παράγουν μόλις μερικά γραμμάρια ημερησίως.

Στη Σχολή Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Αδελαΐδας αναζητούσαν μια μέθοδο αφενός κατάλληλη για φθηνή και μαζική παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα και, αφετέρου, κατάλληλη για την αξιοποίησή τους στην ιατρική. Η συνταγή του Pol δεν τους έκανε, καθόσον ο καταλύτης κοβαλτίου είναι τοξικός. Η ιδέα του Tariq Altalhi που τελικά εφάρμοσαν ήταν να «εξατμίσουν» τις πλαστικές σακούλες σε νανοπορώδεις μεμβράνες αλουμινίου.

Οπως περιγράφεται στο υπό έκδοση τεύχος Νοεμβρίου 2013 του επιστημονικού περιοδικού Carbon (βλ. www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622313006246), οι τεμαχισμένες πλαστικές σακούλες ψήνονται στους 800 βαθμούς Κελσίου για 15 λεπτά, μαζί με μεμβράνες οξειδίου του αλουμινίου –τρυπημένες εκ των προτέρων με νανοπόρους. Οταν το πλαστικό εξαχνωθεί και γίνει μόρια άνθρακα, τα μόρια αυτά περνούν μέσα από τους πόρους του αλουμινίου και σχηματίζουν νανοσωλήνες άνθρακα. Σε μόλις ένα τετραγωνικό εκατοστό αλουμινόφυλλου σχηματίζονται εκατομμύρια νανοσωλήνες! Η απόδοση παραγωγής τους φθάνει το 90% του πλαστικού υλικού.

Ο ευτυχής επικεφαλής του εργαστηρίου, καθηγητής Ντούσαν Λόσιτς (Ducan Losic), δήλωσε ότι «μπορούμε να ελέγξουμε το μέγεθος, τη μορφή και το μήκος αυτών των νανοσωλήνων άνθρακα που παράγονται». Εκτός από την επίτευξη πολύ μαζικότερης παραγωγής, η χαρά του Λόσιτς είναι ιδιαίτερη επειδή η νέα αυτή «συνταγή» θα επιτρέψει την κατασκευή νέων εργαλείων στόχευσης και καταστροφής των καρκινικών κυττάρων.

Επεξεργαστές και νανοαισθητήρες

Το πεδίο εφαρμογής των νανοσωλήνων άνθρακα διευρύνεται καθημερινά σε κατευθύνσεις που εκπλήσσουν. Για παράδειγμα, γνωρίζαμε ότι οι διελεκτρικές τους ιδιότητες συζητούνταν ως το μέλλον των ημιαγωγών, αλλά στις 26 Σεπτεμβρίου 2013 ερευνητές του αμερικανικού Πανεπιστημίου Stanford παρουσίασαν… επεξεργαστή υπολογιστή από αυτό το υλικό. Οπως μπορείτε να διαβάσετε στο περιοδικό Nature (www.nature.com/nature/journal/v501/n7468/full/nature12502.html), «λόγω σημαντικών θεμελιωδών ατελειών που έχουν οι νανοσωλήνες, μόνο πολύ βασικά μέρη κυκλωμάτων είχαν κατασκευασθεί. Εδώ (στην εργασία μας) μπορούμε να δείξουμε πώς αυτές οι ατέλειες μπορούν να ξεπεραστούν και να επιδείξουμε τον πρώτο υπολογιστή δομημένο εξ ολοκλήρου με τρανζίστορ από νανοσωλήνες. Ο υπολογιστής νανοσωλήνων τρέχει ένα λειτουργικό σύστημα ικανό για πολλαπλές επεξεργασίες (multitasking)».

Παρόμοια εκπληκτική είναι η εφαρμογή των νανοσωλήνων άνθρακα που ανακοίνωσαν την ίδια εβδομάδα ερευνητές του Πολυτεχνείου του Μονάχου (TUM): μαζική παραγωγή νανοαισθητήρων, μέσω… ψεκασμού. Βεβαίως, εδώ και έξι χρόνια έχει γίνει εφικτή η κατασκευή αισθητήρων ανίχνευσης αερίων (βλ. https://iopscience.iop.org/0957-4484/18/43/435504) από νανοσωλήνες άνθρακα ή γραφένιο. Ομως μια φθηνή μέθοδος μαζικής παραγωγής ήταν ακόμη όνειρο άπιαστο.

Αυτό που κατόρθωσε η ομάδα του αιγύπτιου μεταδιδακτορικού ερευνητή στο Ινστιτούτο Νανοηλεκτρονικής του TUM, Alaa Abdellah, ήταν όχι μόνο να χρησιμοποιήσει νανοσωλήνες ως ηλεκτρόδια σύνθεσης κυκλώματος ενός αισθητήρα ανίχνευσης αερίων, αλλά και να ψεκάσει μυριάδες τέτοιους νανοαισθητήρες σε ένα πλαστικό υπόστρωμα. Τροφοδότησαν έναν ρομποτικό βραχίονα με ένα υδατικό διάλυμα νανοσωλήνων άνθρακα (που έμοιαζε με μαύρο μελάνι) και ο βραχίονας ψέκασε φύλλα εύκαμπτου πλαστικού από ένα ακροφύσιο που ελεγχόταν μέσω υπολογιστή. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα της ψεκασμένης μεμβράνης ρυθμίζεται είτε μέσω εφαρμογής ανάλογης τάσης ή μέσω απορρόφησης μορίων αερίων –που στην περίπτωση αυτή μας δίνουν την υπογραφή του αερίου που «οσμίστηκε». Η διαδικασία αυτή –διαβεβαίωσε η ομάδα των ερευνητών –κλιμακώνεται πανεύκολα σε γραμμή μαζικής παραγωγής.

Εχουμε λοιπόν «με έναν σμπάρο δυο τρυγόνια»: μαζική και φθηνή παραγωγή νανοκυκλωμάτων από τη μια, αισθητήρες ελάχιστων διαστάσεων από την άλλη. Ποια είναι η πρώτη εφαρμογή που σκέφθηκαν για το επίτευγμά τους οι ερευνητές του Μονάχου; «Εξυπνες συσκευασίες τροφίμων». Φαντασθείτε, δηλαδή, ότι στο άμεσο μέλλον θα μπορούσατε να αγοράζετε ένα κοτόπουλο ή κάποιο φαγητό, του οποίου η πλαστική συσκευασία θα οσφραινόταν συνεχώς την κατάσταση του περιεχομένου της. Μόλις η φρεσκάδα του άρχιζε να εκπνέει, θα μπορούσε να μας βγάζει μια κίτρινη ένδειξη. Μόλις άρχιζε η αλλοίωσή του, μια κόκκινη. Η τεχνική πρόκληση που νόμιζαν ότι είχαν πλέον να αντιμετωπίσουν οι εφευρέτες του TUM ήταν η αποδοχή των ψεκαζόμενων νανοαισθητήρων ως μη τοξικών. Ομως η μέθοδος του Tariq Altalhi από την Αδελαΐδα λύνει και αυτό το πρόβλημα.

«Το να έχουμε μια τόσο αξιόπιστη μέθοδο διεργασίας σε μεγάλη περιοχή, με τόσο χαμηλό κόστος και τόσο καλές επιδόσεις, μας επιτρέπει να σκεφτούμε τον ψεκασμό δίπλα σε κάθε αισθητήρα μιας κεραίας με νανοσωματίδια αργύρου ή νανοσύρματα. Αυτό θα μας άνοιγε τον δρόμο να φτιάξουμε αισθητήρες αερίων με ενσωματωμένη την ασύρματα επικοινωνούσα ετικέτα του εκάστοτε προϊόντος (RFID), όλα μέσω ψεκασμού» δηλώνει τώρα ο Alaa Abdellah. Αλλά δεν είναι ο μόνος τομέας εφαρμογών που σκέφτεται η ομάδα του Μονάχου: εργάζονται ήδη για την κατασκευή εύκαμπτων τρανζίστορ από νανοσωλήνες για την κατασκευή προηγμένων φωτοβολταϊκών κυττάρων από νανοσωλήνες, για νανοαισθητήρες πίεσης και θερμοκρασίας… Απώτερος στόχος τους είναι ο ψεκασμός μιας πρόσθετης επιφάνειας πάνω στο δέρμα μας που θα το μετατρέπει σε βιονικό «ηλεκτρόδερμα», έτοιμο να επικοινωνήσει με το Διαδίκτυο και κάθε είδους συσκευή.