Znajdź zawartość

Współczesna technologia wymaga dużych ilości metali, które występują w przyrodzie w niewielkich ilościach. Ich cena i niska dostępność są hamulcem dla wielu gałęzi przemysłu. Z pomocą przychodzi metalurgia, opracowując nowe, unikatowe stopy. Rzadkie, a konieczne w nowoczesnych technologiach metale to ponad trzydzieści pozycji (w tym tak zwane minerały ziem rzadkich). Należą do nich choćby platyna, lit, czy pallad. Pokłady tych pierwiastków nie dość, że ograniczone, to znajdują się zwykle w niewielu państwach, które mogą dyktować (i często to robią) ceny i warunki. Zależność od innych najbardziej dotkliwie odczuwają kraje pozbawione własnych bogactw naturalnych, a posiadające rozwinięty przemysł jak Japonia. Trudno się dziwić, że to właśnie Japończycy przodują w poszukiwaniu tańszych alternatyw, chcąc się uniezależnić zwłaszcza od Chin i Rosji - krajów, które mają największe złoża różnorodnych minerałów, a z którymi Japonia ma nie najlepsze stosunki. Pierwiastkiem, którego brak bardzo doskwiera japońskiemu przemysłowi jest pallad - jeden z rzadkich metali białych, podobnie jak platyna. Jego złoża znajdują się jedynie w Rosji i RPA. A zastosowanie palladu jest bardzo szerokie: katalizatory spalin samochodowych, zaawansowana elektronika (komputery, telefonia), wyświetlacze, instrumenty dentystyczne, wreszcie ogniwa paliwowe. Zespół profesora Hiroshiego Kitagawy z Kyoto University opracował zastępnik dla palladu - stop posiadający zbliżone do niego właściwości. Stop ten jest połączeniem rodu i srebra, metali, które normalnie się nie łączą, dlatego jego opracowanie musiało być majstersztykiem nanotechnologii. Osiągnięto go poprzez rozpylenie obu składowych metali i wymieszanie ich w środowisku gorącego alkoholu, co pozwoliło stworzyć mieszankę stabilną na poziomie atomowym. Taki „nanostop" jest wystarczająco dobrym zastępnikiem palladu, żeby dało się go wykorzystać w wielu zastosowaniach. Prof. Kitagawa zamierza kontynuować poszukiwania stopów mogących zastąpić rzadkie metale, nie zdradza jednak, który jest jego następnym celem.

Dzięki udoskonaleniu pospolitego barwnika stosowanego m.in. w farbach badaczom z University of Illinois udało się uzyskać doskonały katalizator umożliwiający niszczenie mikroorganizmów i wirusów dzięki energii światła widzialnego. Co ciekawe, innowacyjna powłoka zachowuje swoje dezynfekujące właściwości nawet po 24 godzinach przechowywania w ciemności. W ostatnich latach naukowcy proponowali kilka rodzajów powłok zdolnych do aktywnego niszczenia patogenów dzięki TiO2, czyli tlenkowi tytanu (IV). Po oświetleniu lampą ultrafioletową cząsteczki tego związku uwalniają należące do siebie elektrony, które wchodzą z kolei w interakcje z cząsteczkami wody. Efektem tej serii zdarzeń jest powstanie wolnych rodników, czyli niezwykle aktywnych utleniaczy, zdolnych m.in. do niszczenia bakterii, grzybów czy wirusów. Choć powierzchnie pokryte TiO2 są skuteczne, istotnym problemem pozostaje konieczność ich aktywacji poprzez użycie stosunkowo drogich i niebezpiecznych dla ludzi lamp UV. Zespół dr. Jiana Ku Shanga z University of Illinois rozwiązał jednak ten problem dzięki wzbogaceniu TiO2 poprzez wymieszanie go z azotem. Powstający w ten sposób środek jest w stanie pochłaniać energię światła widzialnego i wykorzystywać ją do uwolnienia elektronów. Udoskonalony materiał wciąż nie był jednak dla dr. Shanga wystarczająco praktyczny. W miejscach szczególnie narażonych, takich jak sale operacyjne, idealne byłyby bowiem powłoki działające w sposób ciągły, a nie tylko za dnia lub przy włączonych światłach. Znalazł się jednak sposób na osiągnięcie tego celu. Było nim dalsze wzbogacenie mieszanki poprzez dodanie palladu - jednego z metali szlachetnych. Dodatkowy składnik mieszanki jest w stanie przechwycić część elektronów uwolnionych przez cząsteczki TiO2 i uwalniać je przez wiele godzin. Co prawda aktywność powłoki jest przez to nieco osłabiona (lecz nie na tyle, by przestała ona działać), lecz jej ochronne właściwości utrzymują się jeszcze przez 24 godziny od wyłączenia źródła światła. Oznacza to, że ważne powierzchnie, takie jak np. blaty na salach operacyjnych, mogłyby pozostawać wolne od patogenów nawet przez całą noc i nadawać się do użycia na następny dzień.

Jak uniknąć konsekwencji wyczerpania się złóż rzadkich pierwiastków? Najbardziej oczywistym rozwiązaniem wydaje się poszukiwanie substancji o podobnych właściwościach. Jak wynika z badań przeprowadzonych przez prof. A. Welforda Castlemana z Penn State University, zadanie to może być znacznie prostsze, niż się wydaje. Ponieważ wiele właściwości chemicznych pierwiastków zależy od konfiguracji tzw. powłoki walencyjnej, czyli zgrupowania elektronów najbardziej oddalonych od jądra atomu, badacz z amerykańskiej uczelni chciał sprawdzić, czy proste związki mogą posłużyć jako "elektronowe imitacje" metali. Powodzenie takiego eksperymentu oznaczałoby, że w niektórych zastosowaniach substancje te mogłyby z powodzeniem zastępować czyste metale, przynosząc w ten sposób niemałe oszczędności. W swoich badaniach prof. Castleman poszukiwał odpowiedników niklu, palladu (6. najdroższego pierwiastka świata w przeliczeniu na masę) oraz platyny (2. miejsce na tej samej liście). Właściwości analizowanych metali oraz kandydatów do ich zastąpienia porównywano dzięki spektroskopii fotoelektronowej. Metoda ta polega na ocenie ilości energii potrzebnej do oderwania elektronów z powłok walencyjnych atomów znajdujących się w różnych stanach energetycznych. Porównywalne wyniki analiz dwóch pierwiastków bądź związków mogą być w związku z tym zapowiedzią ich podobnych właściwości chemicznych. Jak wykazano na podstawie przeprowadzonych analiz, atomy niklu wykazują w spektroskopii fotoelektronowej niemal identyczny obraz jak tlenek tytanu (II). Pallad przypomina z kolei cząsteczki tlenku cyrkonu (II), zaś platyna - molekuły węgliku wolframu. Związki "naśladujące" badane metale można więc zaliczyć do tzw. superatomów, czyli cząsteczek o właściwościach podobnych do znanych pierwiastków. Prawdopodobnie najważniejszym aspektem dokonanego odkrycia jest fakt, iż dane zebrane na podstawie badań zespołu prof. Castlemana układają się w logiczne i dające się przewidzieć serie. Oznacza to, że dla wielu drogich lub trudno dostępnych metali stosowanych np. jako elementy konstrukcyjne bądź katalizatory można znaleźć tanie i równie efektywne superatomowe zamienniki. Niewykluczone, że wdrożenie tej wiedzy do zastosowania w przemyśle może więc wywołać niemałe zamieszanie zarówno na giełdach surowcowych, jak i na rynkach produktów wytworzonych przy pomocy superatomów.