Nanorurki

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
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 pomiędzy atomami o hybrydyzacji sp². Wiązania te są mocniejsze od wiązań pomiędzy atomami o hybrydyzacji 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, z ang. single-walled nanotubes) – 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, z ang. multi-walled nanotubes) – zbudowane z wielu warstw atomów, ułożonych w odstępach podobnie jak w graficie. Ich własności zależą od liczby warstw. Nanorurki dwuwarstwowe (DWNT, z ang. double-walled nanotubes) 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]

Wikimedia Commons ma galerię ilustracji związaną z tematem:
Nanorurki

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. ↑ a b 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. ↑ a b 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. ↑ a b 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. „Nature”. 394, s. 529–544, 1998. DOI: 10.1038/28998. ISSN 0028-0836. 
  28. ↑ Pauling L. The Structure Of The Chlorites. „Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.”. 16 (9), s. 578–82, 1930. DOI: 10.1073/pnas.16.9.578. PMID: 16587609. 
  29. ↑ a b Bethany Halford. Inorganic Menagerie. „Chemical and Engineering News”. 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]

Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Nanorurki&oldid=54997931”