W czerwcu 2003 r. byłem na Sycylii i przyglądałem się pomrukującej jeszcze Etnie po jej potężnej erupcji sprzed kilku miesięcy, kiedy to wyrzucała z siebie ogromne ilości materiału wulkanicznego. Samej lawy podczas tej erupcji wylało się około 10–11 mln m3. Kiedy tam byłem, lawa już zastygła, wziąłem więc sobie kawałek na pamiątkę. Kawałki tej samej lawy zebrał też dr Dang Sheng Su z Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft w Berlinie, by sprawdzić, czy może udałoby się wykorzystać obecne w niej żelazo jako katalizator do produkcji nanowłókien węglowych. Czasami na pozór szalone pomysły prowadzą do rewelacyjnych wyników. Tak też było w tym przypadku.

Rozdrobnioną lawę o grudkach nie większych niż pół milimetra włożono do rury kwarcowej, przez którą przepuszczano wodór. Całość ogrzano do temperatury 700ºC. Proces ten miał na celu zredukowanie tlenków żelaza do metalicznego żelaza. Na powierzchni grudek lawy pojawiły się nanoziarna czystego żelaza, dokładnie takie, jakie są potrzebne do przeprowadzenia syntezy nanowłókien węglowych. Teraz, nie przerywając prowadzonego procesu, do strumienia wodoru dodano etylen. Po dwóch godzinach stwierdzono, że grudki lawy pokryły się węglowymi nanowłóknami o formie wielościennych nanorurek. Na 0,2 g rozdrobnionej lawy nałożono w ten sposób 1,05 g nanorurek. Metoda okazała się więc stosunkowo prosta i… tania. Można ją też bez większych problemów zastosować w dużej hali produkcyjnej.

Zespół dr. Su postanowił pójść dalej i sprawdzić właściwości katalityczne tak otrzymanego nanomateriału węglowego. Okazało się, że jest on lepszym katalizatorem od analogów wytwarzanych innymi metodami. Badania przeprowadzono dla dwóch reakcji, bardzo istotnych z punktu widzenia gospodarczego: odwodornienia etylobenzenu do styrenu oraz odwodornienia 1-butenu do 1,3-butadienu. Styren i 1,3-butadien to ważne substraty do wielkotonażowej produkcji tworzyw sztucznych. W obydwu przypadkach szybkości reakcji były największe przy zastosowaniu nanorurek węglowych wytworzonych na lawie, w porównaniu z innymi nanorurkami, uzyskanymi znacznie droższymi metodami przez takie firmy jak Applied Sciences czy Bayer Materials.

Możliwość utworzenia nanorurek węglowych na żelazie zawartym w lawie nasunęła jeszcze jeden pomysł. A może już w samym wulkanie, gdzie panuje wysoka temperatura, a w gazach obecny jest wodór i węglowodory, dochodzi do produkcji nanowłókien węglowych? Na razie ich nie znaleziono, ale też nie szukano zbyt wnikliwie. Teraz poszukiwania nabrały rozmachu.

Szkło wulkaniczne

Krawędzie wypływających jęzorów lawy stygną zazwyczaj znacznie szybciej niż cała reszta. To gwałtowne zestalenie uniemożliwia utworzenie struktury krystalicznej, co sprawia, że powstaje materiał podobny do szkła, tzw. szkliwo wulkaniczne. Jednym z najlepiej znanych szkliw wulkanicznych jest obsydian – na ogół czarna szklista skała zbudowana głównie z krzemu i tlenu (razem stanowią ponad 85% wszystkich atomów budujących ten materiał). Resztę tworzą glin, sód, potas, żelazo, magnez i wiele innych pierwiastków w śladowych ilościach, np. bar, tytan, mangan, a niekiedy nawet tor. Dodatki te potrafią zmienić barwę szkliwa, czasami więc staje się ono oliwkowe, pomarańczowe, złociste. Różnokolorowe wtręty przybierają formę pasiastą, wstęgową lub też plamistych wykwitów.

Niezwykłe właściwości ­obsydianu – wyjątkową łupliwość dającą materiał o bardzo ostrych krawędziach i jednocześnie jego dużą twardość – wykorzystywano już w epoce dolnego paleolitu, kiedy to około 700 tys. lat temu wyrabiano z niego topory i tłuki znane chociażby z wykopalisk w rejonie Karandusi w Kenii. Rytualne noże, groty do strzał i włóczni, a nawet zwierciadła z obsydianu służyły Majom i Aztekom. Dzisiaj ich potomkowie używają go do wyrobu rozmaitych ozdób i rzeźb sprzedawanych potem na straganach. Z obsydianu robi się też... ostrza lancetów! Z powodzeniem stosowano je w operacjach chirurgicznych tak precyzyjnych jak operacje oka. Ostrze lancetu z obsydianu jest kilkaset razy ostrzejsze i gładsze od odpowiednika wykonanego z najwyższej jakości stali. Jest też kilka razy lepsze od ostrza diamentowego. Szerokość jego krawędzi ma zaledwie 3 nm grubości!

Może się wydać dziwne, ale dopiero kilka lat temu zaczęto zgłębiać tajemnicę obsydianu, licząc na sztuczne stworzenie podobnego materiału. Początkowo sądzono, że trzeba tylko odpowiednio dobrać skład pierwiastkowy szkliwa. Szybko się jednak okazało, że sprawa jest bardziej skomplikowana. Przetopiony obsydian tracił swoje niezwykłe właściwości i zachowywał się podobnie do typowego szkła. Po uderzeniu pojawiały się głębokie promieniste pęknięcia, inaczej niż w przypadku dziewiczego szkliwa, gdzie dochodziło jedynie do odkruszenia cieniutkiej łuski materiału.

Tajemnica leżała zatem gdzieś głębiej, w strukturze materiału. Postanowił ją rozszyfrować zespół kierowany przez dr. Dorfmana z Clarkson University w Potsdamie (USA), zaprzęgając do pracy całą gamę wyrafinowanych technik umożliwiających zobaczenie tego, co dzieje się na poziomie nanoskali. Wysiłek się opłacił. Okazało się, że w materiale występuje rozbudowana, przestrzenna sieć inkluzji o rozmiarach nanometrowych, które swoją budową chemiczną różnią się od reszty materiału tylko jednym – zawierają około dwa razy mniej tlenu. Prawdopodobnie to właśnie ta specyficzna nanostruktura odpowiada za niezwykłe właściwości mechaniczne obsydianu. Uderzając silnie ostrym narzędziem w powierzchnię szkliwa, odwarstwienie łuski materiału zachodzi właśnie po sieci inkluzji. Niełatwo jednak będzie odtworzyć w laboratorium podobne szkliwo. Chyba że Hefajstos i Wulkan uchylą rąbka swojej tajemniczej technologii. A może kiedyś pozwolą nam poznać jeszcze inne swoje nanotechnologiczne sekrety?