Srpen 2005

Miniaturní míč, který změní svět

Fullereny, uměle vytvořené struktury z uhlíku, najdou uplatnění v medicíně a v mnoha dalších oborech.

V nanosvětě, kde se "předměty" měří v miliontinách milimetrů, hrají jednu z hlavních rolí molekuly zvané fullereny. O jejich vlastnostech a možném využití hovoří v dnešním rozhlasovém pořadu Meteor docent Petr Klusoň z Vysoké školy chemickotechnologické v Praze.

Třikrát dražší než zlato

Diamant, grafit a amorfní uhlík. Tyto přírodní formy uhlíku znají vědci už mnoho desítek let. V roce 1985 přibyla další přírodní forma uhlíku, fullereny. Nejznámější z nich, fulleren C60, vypadá přesně jako klasický fotbalový míč. Označení C60 vyplývá z toho, že se skládá z šedesáti vzájemně propojených atomů uhlíku a ze stejného počtu atomů vodíku. Fulleren C60 má řadu sourozenců. Mnoho z nich nejsou koule, ale mají protáhlý, trubicovitý tvar. Je to dáno geometrickými pravidly. Za zmínku stojí i původ jejich rodového jména. Získaly ho podle amerického architekta Richarda Buckminstera Fullera, autora samonosné geodetické kupole.

Kde se fullereny v přírodě vyskytují? V omezeném množství například v sazích nebo v uhelných vrstvách. Pravidelně se jejich přítomnost spektrálně potvrzuje a opět vyvrací dokonce v mezihvězdném prostoru. Z přírodních zdrojů se ovšem získávat nedají. Připravují se však synteticky. Dnes lze už běžně některé z nich objednat u dodavatelů chemických specialit.

Do našich laboratoří jsme kupovali fulleren C70 s čistotou 96 procent. Za čtvrt gramu jsme zaplatili 510 euro. Zlatý prášek od stejného dodavatele by byl třikrát levnější. Fullereny mají výhodné vlastnosti pro výrobu velmi pevných materiálů o nízké hmotnosti. Je možné z nich připravit umělé diamanty vysoké kvality. Používají se při výrobě ochranných skel filtrujících škodlivé záření. Na jejich povrchy se dají vázat různé atomy. Ve spojení s alkalickými kovy se chovají jako supravodiče.

Do prostoru uvnitř molekuly větších fullerenů je možné uzavřít molekulu jiné látky, která je biologicky aktivní, případně lze do dutiny ukládat radioaktivní atomy. Nelze zapomenout na uhlíkové nanotrubičky, struktury tvořené ze stočených grafitových rovin. Ty jsou otevřené. Nebo jsou to v podstatě protáhlé uzavřené fullereny.

A k čemu jsou tyto tvary vhodné? Nanotrubičky jsou užitečné při konstrukci superpevných materiálů. Nedávno se objevily solární články sestavené z vodivých polymerů, nanotrubic a molekul tzv. ferrocenů. Další možností je vyplnit vnitřek trubičky kovem, případně polovodičem, a vyrobit tak drátek nepatrných rozměrů. Existují sendvičové nanočipy tvořené vrstvou nanotrubic mezi destičkami křemíku. Hodí se pro bezpečné skladování vodíku jako paliva budoucnosti.

Kvantová tečka má strukturu Mozartovy kuličky

Nanotechnologie se uplatní také v biochemii a v lékařství v podobě tzv. kvantových teček. To jsou shluky atomů, ve kterých se uplatňují tzv. kvantové jevy. To znamená, že se elektrony v atomech nemohou volně pohybovat, protože jsou vázány na kvantovou tečku.

Z toho vyplývá řada prakticky využitelných zvláštních vlastností. Kvantové tečky dokáží například přeměňovat barvu světla, což lze využít v lékařské diagnostice. Představme si vrstevnatou strukturu, něco na způsob slavné cukrovinky Mozartových kuliček. Její jádro je ovšem tvořeno kvantovou tečkou. Ta má schopnost při osvícení, například UV zářením, uvolňovat světlo určité barvy.

Jádro je obklopeno tenkou ochrannou vrstvou a třetí vrstvu tvoří organické molekuly navržené tak, aby se celý "nanoútvar" dokázal "přichytit" třeba na bílkovinu nebo molekulu DNA. Tyto útvary jsou tak malé, že bílkovina nebo DNA i s připojenou kvantovou tečkou si zachovávají přirozenou funkci a účastní se běžných biochemických pochodů v buňce. Po osvícení tkání lze na základě světla uvolněného z jádra sledovat pohyb a stav biomolekul.

Zajímavé je i lékařské využití některých typů fullerenů upravených tak, aby se rozpouštěly ve vodě. Dokáží vstupovat do virových enzymů a zastavit životní cyklus například viru HIV. Na rozdíl od léků, které slouží k blokování tohoto enzymu chemickou cestou, působí léčivo na bázi fullerenů v podstatě "mechanicky". Snižuje se tak riziko, že si vir vytvoří odolnost proti léčbě.

(Lidové noviny, www-lidovky.cz)