Nanorurka

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Trójwymiarowe modele struktury jednowarstwowych nanorurek węglowych
Animacja pokazująca trójwymiarową strukturę nanorurki

Nanorurki – struktury nadcząsteczkowe, mające postać pustych w środku walców. Współcześnie najlepiej poznane są nanorurki węglowe, których ścianki zbudowane są ze zwiniętego grafenu (jednoatomowej warstwy grafitu). Istnieją jednak także niewęglowe nanorurki (m.in. utworzone z siarczku wolframu)[1] oraz nanorurki utworzone z DNA[2].

Nanorurki węglowe[edytuj | edytuj kod]

Najcieńsze nanorurki węglowe mają średnicę rzędu jednego nanometra, a ich długość może być miliony razy większa. Wykazują niezwykłą wytrzymałość na rozciąganie i unikalne własności elektryczne, oraz są znakomitymi przewodnikami ciepła. Te własności sprawiają, że są badane jako obiecujące materiały do zastosowań w nanotechnologii, elektronice, optyce i badaniach materiałowych.

Z punktu widzenia chemii kwantowej, nanorurki węglowe zbudowane są wyłącznie z wiązań sp². Wiązania te są mocniejsze od wiązań sp³ tworzących diament, co pozwala nanorurkom uzyskiwać większą wytrzymałość. Nanorurki samoczynnie zlepiają się we włókna za pomocą oddziaływań Van der Waalsa. Pod dużym ciśnieniem można przekształcić część wiązań sp² w sp³, tworząc z nich niezwykle wytrzymałe materiały takie jak ADNR.

Typy nanorurek węglowych[edytuj | edytuj kod]

  • Nanorurki jednościenne (SWNT) – zbudowane z jednej warstwy atomów, zwiniętej w rurkę o średnicy rzędu nanometra. W przeciwieństwie do nanorurek wielowarstwowych wykazują bardzo przydatne własności elektryczne, dzięki czemu są rozważane jako główny kandydat do tworzenia przyszłych układów elektronicznych. Można za ich pomocą konstruować zarówno przewody o minimalnym oporze[3], jak i bramki logiczne[4]. Obecnie ich wytwarzanie jest jednak bardzo skomplikowane i drogie, i przyszłość ich zastosowań zależy głównie od opracowania efektywniejszych metod produkcji[5]. Znane są też metody uzyskiwania takich nanorurek o długości rzędu centymetrów[6].
  • Nanorurki wielościenne (MWNT) – zbudowane z wielu warstw atomów, ułożonych w odstępach podobnie jak w graficie. Ich własności zależą od liczby warstw. Nanorurki dwuwarstwowe (DWNT) są szczególnie interesujące ponieważ zachowują przydatne własności jednowarstwowych, a jednocześnie są od nich znacznie odporniejsze chemicznie. Jest to szczególnie istotne przy modyfikowaniu własności nanorurek przez zrywanie niektórych wiązań pomiędzy atomami węgla – w przypadku DWNT modyfikowana jest wtedy jedynie zewnętrzna warstwa.
  • Fuleryty – materiały uzyskiwane przez sprasowanie nanorurek w wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Część nanorurek łączy się wtedy ze sobą za pomocą wiązań sp³. Uzyskany w ten sposób materiał może przewyższać twardością diament, a jednocześnie nie ma struktury krystalicznej i dzięki temu nie jest kruchy.
  • Nanotorusy – nanorurki zwinięte w kształt torusa. Nanotorusy są badane ze względu na zaskakujące własności magnetyczne (ma 1000 razy większy moment magnetyczny na wybranym obszarze niż się spodziewano)[7][8].

Właściwości[edytuj | edytuj kod]

Mechaniczne[edytuj | edytuj kod]

Nanorurki są jednymi z najwytrzymalszych i najsztywniejszych znanych materiałów. Wytrzymałość na rozciąganie nanorurek wielowarstwowych sięga 63 GPa[9]. Dla porównania, hartowana stal osiąga wytrzymałość rzędu 1,2 GPa. W połączeniu z niewielką gęstością rzędu 1,3-1,4 g/cm³[10] daje to najlepszy rezultat spośród znanych ludzkości materiałów.

Nanorurki nie są natomiast wytrzymałe na zgniatanie. Z powodu elastyczności i pustej struktury łatwo wyginają się i odkształcają pod wpływem sił ściskających lub zginających.

Kinetyczne[edytuj | edytuj kod]

W nanorurkach wielowarstwowych wewnętrzne warstwy mogą ślizgać się prawie bez tarcia wewnątrz zewnętrznych, tworząc idealne atomowe łożyska[11][12]. Własności te wykorzystano do konstrukcji pierwszych prostych molekularnych mechanizmów: nanorotorów[13] i nanopotencjometrów[14].

Elektryczne[edytuj | edytuj kod]

W zależności od ułożenia linii wiązań wzdłuż albo w poprzek nanorurki, nanorurki mogą być dobrymi przewodnikami lub półprzewodnikami. W teorii nanorurki mogą przewodzić prąd o 1000-krotnie większym natężeniu niż przewody metalowe o analogicznej masie[15]. Dzięki zastosowaniu nanorurek w 2001 udało się stworzyć tranzystor, który do zmiany stanu (włączony/wyłączony) potrzebuje tylko jednego elektronu. Naukowcy przewidują, że zastosowanie nanotechnologii w elektronice cyfrowej pozwoli na konstruowanie coraz szybszych i coraz mniejszych komputerów i układów scalonych.

Termiczne[edytuj | edytuj kod]

Wszystkie nanorurki znakomicie przewodzą ciepło wzdłuż swojej struktury (dzięki przewodnictwu balistycznemu), natomiast bardzo słabo przewodzą ciepło w poprzek. Przewiduje się, że nanorurki węglowe mogą przewodzić do 6000 W/m·K w temperaturze pokojowej. Dla porównania miedź, uznawana za znakomity przewodnik ciepła przewodzi 385 W/m·K. Nanorurki wytrzymują temperatury do 2800 stopni w próżni i do około 750 stopni w powietrzu[10].

Szkodliwość[edytuj | edytuj kod]

W roku 2008 stwierdzono, że niektóre rodzaje nanorurek mogą wywoływać zmiany nowotworowe u myszy – międzybłoniaka opłucnej, podobnie jak azbest[16]. Szkodliwość nanorurek zależy w znacznym stopniu od ich budowy i dotyczy szczególnie struktur długich i cienkich; dla niektórych rodzajów nanorurek nie zaobserwowano natomiast szkodliwości. Problem ten jest intensywnie badany w wielu laboratoriach[17].

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Ze względu na swoją wytrzymałość i elastyczność, nanorurki węglowe są dobrymi kandydatami zarówno na elementy planowanych nanomaszyn i metameteriałów, jak i do zastosowań w dużej skali.

Konstrukcje[edytuj | edytuj kod]

Choć włókna utworzone z nanorurek mogą nie mieć aż tak dobrych parametrów jak pojedyncze nanorurki, wciąż mogą znacznie przewyższać współcześnie używane materiały[18]. Obecnie pierwsze takie materiały zostały już wytworzone. Na Tour de France 2006 Floyd Landis korzystał z roweru, którego konstrukcję wzmocniono nanorurkami. Pozwoliło to zmniejszyć masę ramy roweru do jednego kilograma[19]. Materiały tego typu potencjalnie mogą znaleźć wiele zastosowań w przyszłej inżynierii.

W badaniach w 2006 roku znaleziono nanorurki w stali damasceńskiej, co mogłoby tłumaczyć jej legendarną twardość[20][21].

Jednym z najbardziej ambitnych projektów jest użycie nanorurek do konstrukcji windy kosmicznej. Wymaga to jednak znacznego postępu zarówno w ilości, jak i jakości wytwarzanych materiałów z nanorurek[22].

Układy elektroniczne[edytuj | edytuj kod]

Nanorurki mogą stać się podstawą przyszłych układów elektronicznych. Przy ich pomocy stworzono już tranzystory mogące działać w temperaturze pokojowej i przełączać się przy użyciu pojedynczego elektronu[23].

Jedną z głównych przeszkód przed budowaniem większych układów był brak technologii do tworzenia nanorurek w wystarczających ilościach. W 2001 roku IBM zademonstrował metodę wytwarzania tranzystorów na masową skalę, w procesie nazwanym „konstruktywną destrukcją”[24]. Metoda ta umożliwiła stworzenie układu zawierającego ponad miliard właściwie ułożonych złącz z nanorurek. Niewłaściwe łącza można było usunąć korzystając ze standardowej litografii[25]. W 2004 roku uzyskano pierwszy układ pamięci oparty na nanorurkach[26].

Nanorurki DNA[edytuj | edytuj kod]

Z odpowiednio zmodyfikowanego DNA, poprzez przyłączenie do końców jego łańcucha odpowiednich grup umożliwiających kontrolowane sklejanie można w specjalnych warunkach tworzyć złożone kompleksy, które spontanicznie krystalizują, tworząc dwuwymiarowe struktury nazywane warstwami DX[27].

Struktury te, oprócz tworzenia płaskich warstw można także w odpowiednich warunkach skłonić do utworzenia pustych w środku rurek o średnicy 4-20 nm przypominających rozmiarem i kształtem nanorurki węglowe. Nanorurki DNA mają znacznie gorsze własności mechaniczne i elektryczne od węglowych, można je jednak łatwiej modyfikować chemicznie i łączyć z innymi strukturami nadcząsteczkowymi[2].

Nanorurki nieorganiczne[edytuj | edytuj kod]

Nanorurki udało się również otrzymać na bazie związków nieorganicznych. Możliwość taką przewidział już w 1930 r. Linus Pauling[28], jednak po raz pierwszy udało się dowieść istnienia takiej struktury dopiero zespołowi Reshefa Tenne w 1992, który otrzymał je z siarczku wolframu[1].

W kolejnych latach opracowano metody otrzymywania nanorurek z wielu innych związków nieorganicznych, m.in. z tlenku wanadu, tlenku magnezu, tlenku tytanu, krzemionki, pochodnych borazolu[29], a także czystej miedzi i bizmutu[30], które można stosować jako materiały przewodzące prąd elektryczny, suche elektrolity oraz katalizatory reakcji redoks.

Nanorurki nieorganiczne mają zwykle większą gęstość od węglowych i mają mniejszą odporność na rozciąganie, ale za to większą na ściskanie, dzięki czemu można je potencjalnie stosować do produkcji materiałów o wysokiej odporności na przebicie i rozerwanie, np.: do produkcji kamizelek kuloodpornych[29].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Commons in image icon.svg

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,0 1,1 Tenne R, Margulis L, Genut M, Hodes G. Polyhedral and cylindrical structures of tungsten disulphide. „Nature”. 360 (6403), s. 444–446, 1992. doi:10.1038/360444a0. 
  2. 2,0 2,1 Paul W. K. Rothemund, Ekani-Nkodo, Axel; Papadakis, Nick; Kumar, Ashish; Fygenson, Deborah Kuchnir & Winfree, Erik. Design and Characterization of Programmable DNA Nanotubes. „Journal of the American Chemical Society”. 126 (50), s. 16344–16352, 2004. doi:10.1021/ja044319l. ISSN 0002-7863. 
  3. Dekker, et al., (1999).
  4. Derycke, et al., (2001).
  5. Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics – Scientific American; Grudzień 2000.
  6. Zhu, et al. (2002).
  7. Liu et al 2002 Phys. Rev. Lett. 88 217206).
  8. Computer Physics Communications 146 (2002), Maria Huhtala, Antti Kuronen, Kimmo Kaski.
  9. Min-Feng Yu et. al (2000), Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load, Science 287, 637-640.
  10. 10,0 10,1 Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics – Scientific American December 2000, 69.
  11. Easy Slider – 289 (5479): 505 – Science.
  12. John Curnings et al. (2000), Low-Friction Nanoscale Linear Bearing Realized from Multiwall Carbon Nanotubes, Science 289, 602-604.
  13. A. M. Fennimore et al. (2003), Rotational actuators based on carbon nanotubes, Nature 424, 408-410.
  14. John Curnings et.al. (2004), Localization and Nonlinear Resistance in Telescopically Extended Nanotubes, Physical Review Letters 93.
  15. Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics – Scientific American December 2000, 68.
  16. CA. Poland, R. Duffin, I. Kinloch, A. Maynard i inni. Carbon nanotubes introduced into the abdominal cavity of mice show asbestos-like pathogenicity in a pilot study. „Nat Nanotechnol”. 3 (7), s. 423-428, 2008. doi:10.1038/nnano.2008.111. PMID 18654567. 
  17. H. Nagai, S. Toyokuni. Differences and similarities between carbon nanotubes and asbestos fibers during mesothelial carcinogenesis: shedding light on fiber entry mechanism. „Cancer Sci”. 103 (8), s. 1378-1390, 2012. doi:10.1111/j.1349-7006.2012.02326.x. PMID 22568550. 
  18. Zhang et al. Science (2005), 309(5738), 1215. and Dalton et al. Nature (2003), 423(6941), 703.
  19. http://archive.is/20120713061226/http://news.com.com/Carbon+nanotubes+enter+Tour+de+France/2100-11395_3-6091347.html?tag=fd_carsl Visited 10-15-2006.
  20. Legendary Swords’ Sharpness, Strength From Nanotubes, Study Says.
  21. Secret’s out for Saracen sabres.
  22. Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics, Scientific American (2000).
  23. Dekker, Postma et al (2001), Carbon Nanotube Single-Electron Transistors at Room Temperature – Science 293.5527 (July 6, 2001).
  24. Avouris, Arnold, Collins Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown – Science 292.5517 (April 27, 2001):706-9.
  25. Kalaugher Scalable Interconnection and Integration of Nanowire Devices Without Registration Nano Letters 4.5 (2004):915-19.
  26. Tesng et alMonolithic Integration of Carbon Nanotube Devices with Silicon MOS Technology Nano Letters 4.1 (2004):123-127.
  27. Winfree, Eric; Liu, Furong; Wenzler, Lisa A. & Seeman, Nadrian C.. Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals. , s. 529–544, 1998. doi:10.1038/28998. ISSN 0028-0836. 
  28. Pauling L. The Structure Of The Chlorites. , s. 578–82, 1930. doi:10.1073/pnas.16.9.578. PMID 16587609. 
  29. 29,0 29,1 Bethany Halford. Inorganic Menagerie. . 83 (35), s. 30-33, 2005. ISSN 0009-2347 ISSN 0009-2347. 
  30. Electrochemical synthesis of metal and semimetal nanotube–nanowire heterojunctions and their electronic transport properties.

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]