W tych niepozornych okruszkach naukowcy z Jilin University znaleźli coś, czego nikt się nie spodziewał: naturalnie uformowane jednościenne nanorurki węglowe, dotąd kojarzone jedynie z zaawansowaną aparaturą badawczą. Odkrycie opisane na łamach Nano Letters pokazuje, że powierzchnia naszego satelity nie jest tylko archiwum dawnych zderzeń kosmicznych. To także miejsce, gdzie w ekstremalnych warunkach spontanicznie powstają struktury, o które my na Ziemi musimy walczyć przy użyciu skomplikowanej technologii.
Jest to o tyle ciekawe, że świecie nowoczesnej elektroniki jednościenne nanorurki węglowe są czymś w rodzaju Świętego Graala materiałoznawstwa. Obiecują lżejsze i wydajniejsze układy scalone, czujniki o czułości na poziomie pojedynczych cząsteczek i przewodniki, które wytrzymują obciążenia zabójcze dla klasycznych metali. Do tej pory w opowieści o ich powstawaniu pojawiał się zawsze ten sam scenariusz: superczyste laboratoria, kontrolowana atmosfera, wyszukane katalizatory i zespół inżynierów pilnujących każdego stopnia temperatury. Nowe wyniki badań każą jednak dopisać do tej historii zupełnie nieoczekiwany rozdział. Okazuje się, że naturze wystarczyło coś z pozoru prymitywnego: bezlitosne bombardowanie mikrometeorytami, próżnia, ekstremalne różnice temperatur oraz odrobina węgla i żelaza w księżycowym pyle.
Księżyc od milionów lat produkuje materiały przyszłości
Misja Chang’e-6 dostarczyła bezcenny materiał badawczy z regionu księżyca, który nigdy wcześniej nie był bezpośrednio eksplorowany. Analizując go za pomocą zaawansowanych technik spektroskopowych, zespół badawczy natrafił na coś, czego się nie spodziewał: cylindryczne struktury zbudowane z atomów węgla, o średnicy liczonej w nanometrach. Te jednościenne nanorurki, znane z niezwykłej wytrzymałości mechanicznej i doskonałego przewodnictwa, do tej pory uważano za wytwór wyłącznie kontrolowanych procesów syntezy. Fakt ich istnienia w księżycowym pyle stanowi pierwszy niepodważalny dowód, że przyroda potrafi je wytwarzać samodzielnie, a to istotnie poszerza nasze rozumienie chemii zachodzącej na powierzchni naszego naturalnego satelity.
Czytaj też: Nowa era elektroniki? Naukowcy opanowali elektrony do perfekcji, skręcając z kryształu śrubę
Proces, który doprowadził do powstania tych nanostruktur na Księżycu, diametralnie różni się od laboratoryjnego. W przeciwieństwie do sterylnych komór próżniowych i precyzyjnie dobranych katalizatorów, tutejsza produkcja była gwałtowna i chaotyczna. Badacze wskazują, że nanorurki uformowały się pod wpływem ekstremalnych zjawisk: intensywnego ciepła generowanego przez uderzenia mikrometeorytów, wczesnej aktywności wulkanicznej oraz bombardowania cząstkami wiatru słonecznego, które powodowały odparowanie węgla, a ten następnie, w trakcie błyskawicznego ochładzania, układał się w charakterystyczne rurki zamiast w zwykłą sadzę. Kluczową rolę odegrało tutaj naturalnie występujące w regolicie żelazo, które zadziałało jako katalizator.
Ten mechanizm pokazuje, że ekstremalne środowisko kosmiczne może pełnić funkcję swoistej nanofabryki. Odkrycie to, idące w ślad po wcześniejszym znalezieniu grafenu, sugeruje, że chemia powierzchni Księżyca jest o wiele bardziej złożona i dynamiczna, niż do tej pory zakładaliśmy. W praktyce Księżyc działa bowiem jak gigantyczne, rozproszone laboratorium, w którym eksperymenty trwają miliony lat, a parametrami procesu steruje przede wszystkim statystyka. Jeżeli dobrze zrozumiemy parametry tego naturalnego procesu technologicznego, to możemy próbować go odtworzyć w warunkach laboratoryjnych, celowo upraszczając i uszczelniając to, co natura realizuje chaotycznie i na ogromną skalę. Paradoksalnie to, co wydaje się na pierwszy rzut oka prymitywną kosmiczną erozją, może stać się inspiracją do opracowania prostszych, bardziej energooszczędnych metod syntezy nanomateriałów.
Dzięki nanorurkom na Księżycu eksploracja kosmosu będzie łatwiejsza
Odkrycie naturalnych nanorurek na Księżycu ma potencjalnie ogromne znaczenie dla przyszłości kosmicznej eksploracji. Gdyby udało się opracować metodę ich pozyskiwania z lokalnego gruntu, to przyszłe misje załogowe lub autonomiczne bazy mogłyby stać się znacznie bardziej samowystarczalne. Zamiast transportować z Ziemi drogie i delikatne komponenty, jak czujniki czy elektrody do akumulatorów, astronauci mogliby je wytwarzać na miejscu, korzystając z dostępnych surowców, co znacząco obniżyłoby koszty i zwiększyło niezależność długoterminowych misji.
Czytaj też: Finowie stworzyli długo wyczekiwany materiał kwantowy. To więcej niż tylko potwierdzenie teorii
Perspektywa nie jest oczywiście pozbawiona wyzwań. Proces ekstrakcji i przetwarzania takich nanostruktur w warunkach księżycowych na użyteczne komponenty to wciąż pieśń przyszłości, wymagająca ogromnego nakładu badań i rozwoju technologii. Niemniej sam fakt istnienia tego surowca na miejscu jest niezwykle obiecujący. Może to również wpłynąć na ziemskie metody produkcji, bo sama obserwacja, w jaki sposób natura radzi sobie z syntezą w tak trudnych warunkach, może zainspirować inżynierów do opracowania tańszych i mniej energochłonnych procesów przemysłowych.
Czytaj też: Teleskop Webba rozwikłał zagadkę czerwonych kropek. To nowy typ czarnych dziur
Do tej pory w tym kontekście mówiło się głównie o pozyskiwaniu wody z lodu, produkcji paliwa rakietowego czy wykorzystaniu regolitu jako surowca do drukowania elementów konstrukcyjnych. Nanorurki węglowe dorzucają do tej układanki zupełnie nową kategorię materiałów: komponenty o wysokiej wartości dodanej, które mogą znaleźć zastosowanie w elektronice, systemach magazynowania energii czy lekkich, a jednocześnie bardzo wytrzymałych elementach mechanicznych. Nie można też pominąć bardziej przyziemnego, ale niezwykle istotnego aspektu: bezpieczeństwa. Jeżeli nanostruktury węglowe są obecne w regolicie, to w przyszłości trzeba będzie sprawdzić, jak zachowują się w kontakcie z ludzkim organizmem czy sprzętem. Pył księżycowy już dziś uchodzi za potencjalnie niebezpieczny dla układu oddechowego i mechaniki urządzeń, a obecność cząstek o rozmiarach nanometrycznych może dodatkowo skomplikować ten obraz.
Jak Księżyc uczy nas pokory?
Jest w tym odkryciu coś więcej niż tylko obietnica tańszych nanomateriałów. To także przypomnienie, że nasza cywilizacja, ze wszystkimi swoimi laboratoriami i superkomputerami, wciąż dopiero uczy się języka, którym od miliardów lat posługuje się natura. Jednościenne nanorurki węglowe na Księżycu są jak notatka pozostawiona w marginesie kosmicznego zeszytu: dowód, że za kulisami dobrze znanych nam procesów mogą działać mechanizmy, których nawet się nie spodziewaliśmy. Jeśli chcemy mówić o zrównoważonej obecności człowieka w kosmosie, to musimy nauczyć się nie tylko eksploatować to, co znajdziemy, ale przede wszystkim rozumieć, w jakich warunkach to powstaje.