Nanorurki węglowe

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Trójwymiarowe modele struktury jednowarstwowych nanorurek węglowych
Animacja pokazująca trójwymiarową strukturę nanorurki węglowej

Nanorurki węglowe (CNTs, z ang. carbon nanotubes) – rodzaj nanorurek zbudowanych z węgla. Są one odmianą alotropową tego pierwiastka (obok grafitu, diamentu i fullerenów)[1].

Zbudowane są zwiniętego grafenu (jednoatomowej warstwy grafitu). Odkryte zostały niedługo po fullerenach, w 1991 roku, przez Sumio Iijimę w sadzy wygenerowanej poprzez odparowywanie łukowo-wyładowcze elektrody grafitowej[2]. Najcieńsze nanorurki węglowe mają średnicę od rzędu jednego nanometra, a ich długość może być miliony razy większa. Wykazują niezwykłą wytrzymałość na rozciąganie i 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.

CNT są atrakcyjne dla szerokiego zakresu zastosowań ze względu na ich rozmiary, przewodność cieplną i elektryczną, wyjątkowo dużą powierzchnię właściwą, chemiczną obojętność. Przykładowe zastosowania obejmują kompozyty polimerowe o wysokiej wytrzymałości, materiały elektrodowe do akumulatorów o dużej pojemności, wydajne emitery pola do mikroskopii i litografii jako źródła elektronów, lampy rentgenowskie, magazyny wodoru, lampy wyładowcze, próżniowe wzmacniacze mikrofalowe, nanoelektronika, wypełniacze przewodzące. CNTs pod wpływem przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego emitują elektrony już w temperaturze pokojowej (emitery zimnych elektronów). Posiadają dużą gęstość elektronową na ich czubkach przez co mogą być używane jako bardzo wydajne końcówki do mikroskopów elektronowych (100 V zamiast 5kV). CNTs zostać także zostać wykorzystane w działach elektronowych, wyświetlaczach FED[3], biosensorach[4], ogniwach paliwowych[5], kompozytach[6], tranzystorach[7] oraz technologii stealth[8]. CNTs mogą być stosowane także jako włókna oraz jako kompozyt polimer/nanorurki węglowe do tekstyliów elektronicznych. Bardzo małe ilości nanorurek węglowych w polimerze mogą tworzyć perkolacyjną sieć, która sprawia, że polimer przewodzi, bez wypełniacza powodującego degradację początkowych właściwości matrycy. Są także doskonałym środkiem smarnym jak i dodatkiem do smarów i olejów. Trwają badania nad wykorzystaniem nanorurek węglowych do przechowywania wodoru. Takie nanorurki z wodorem w środku mogą być wykorzystywane jako ogniwa paliwowe zasilane wodorem do napędzania energooszczędnych i przyjaznych dla środowiska pojazdów. Kilka lat temu wytwarzanie nanorurek węglowych było bardzo skomplikowane i drogie. Obecnie znane są wydajne i stabilne oraz stosunkowo niedrogie metody produkcji, np. metoda CVD (Chemical Vapour Deposition)[9].

Z chemicznego punktu widzenia, atomy węgla w nanorurkach węglowych połączone są wiązaniami o rzędzie większym od jedności (zawierają zdelokalizowane wiązania podwójne), w przeciwieństwie do pojedynczych wiązań tworzących diament, co pozwala nanorurkom uzyskiwać większą odporność na rozciąganie. Nanorurki samoczynnie zlepiają się we włókna za pomocą oddziaływań Van der Waalsa. Pod dużym ciśnieniem można nanorurki połączyć ze sobą, tworząc z nich niezwykle twarde 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. Produkuje się je głownie metodą CVD etanolu na przygotowanych wcześniej podłożach kwarcowych, ze stali nierdzewnej lub krzemowych z naniesionym wcześniej katalizatorem kobalt, nikiel lub molibden, w temperaturze ok. 800 °C w atmosferze mieszanki argonu i wodoru. Nanorurka jednościenna może być zarówno doskonałym przewodnikiem oraz jednocześnie półprzewodnikiem dzięki zniekształceniom w sieci grafenowej. Nanorurki są chiralne ponieważ warstwę grafenu można zwinąć na różne sposoby. Nanorurka wtedy jest chiralna, jeśli ma typ (n,m), gdzie m > 0 i m ≠ n; wtedy jego enancjomer (odbicie lustrzane) ma typ (m,n), który jest inny niż (n,m)[10].
  • Nanorurki wielościenne (MWNT, z ang. multi-walled nanotubes) – zbudowane z wielu warstw atomów, ułożonych w odstępach podobnie jak w graficie (0.335 nm), ok. 0.34 nm. Przypominają rosyjską lalkę - matrioszkę. Ich własności zależą od liczby warstw. Produkuje się je głownie metodą CVD toluenu z dodatkiem ferrocenu w temperaturze ok. 800 °C w atmosferze mieszanki argonu i wodoru, gdzie atomy żelaza z ferrocenu pełnią in-situ rolę katalizatora. 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. Wielościenne nanorurki mogą formować tzw. układy lamelowe aligned carbon nanotubes[11][12], które są używane jako źródła elektronów emisji polowej w równoległej litografii wiązek elektronów, wzmacniaczach, przełącznikach i bardzo ostrych i wyraźnych wyświetlaczach. Nielamelowe układy MWNTs są używane jako elektrody do kondensatorów, akumulatorów i reakcji elektrochemicznych[13]. Nanorurki wielościenne można funkcjonalizować poprzez np. utlenienie niezwiązanych ich końców. Obszarów ich chemicznie modyfikowanych analogów jest nanomedycyna. MWNT mogą być stosowane jako podskórne czujniki glukozy, mikrocewniki, materiały inżynierii tkankowej, jako wektory niewirusowe w dostarczaniu genów i leków, np. te sterowane zewnętrznym polem magnetycznym ze względu na obecność ferromagnetycznych nanocząstek żelaza, głównie w rdzeniu nanorurek (pozostałość katalizatora w procesie produkcji)[14].
  • 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)[15][16].

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[17]. Dla porównania, hartowana stal osiąga wytrzymałość rzędu 1,2 GPa. W połączeniu z niewielką gęstością rzędu 1,3–1,4 g/cm³[18] 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[19][20]. Własności te wykorzystano do konstrukcji pierwszych prostych molekularnych mechanizmów: nanorotorów[21] i nanopotencjometrów[22].

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[18]. 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 6,00 W/m·K w temperaturze pokojowej. Dla porównania miedź, uznawana za znakomity przewodnik ciepła przewodzi 3,5 W/m·K. Nanorurki wytrzymują temperatury do 2800 °C w próżni i do około 750 °C w powietrzu[18].

Właściwości nanorurek węglowych (CNTs)[23][24][25]
Właściwości mechaniczne CNTs Stal Diament Kevlar
Moduł Younga dla MWNTs [TPa] ~1–1,2 0,200 0,001 0,046
Moduł Younga dla lin SWNTs [TPa] ~1
Wytrzymałość na rozciąganie dla lin SWNTs [GPa] ~60 5,0 1,2 3,6
Właściwości elektryczne CNTs Żelazo Diament
Typowa oporność dla SWNTs i MWNTs [Ω*m] 1·10-6 9,71·10-8 1·1015-1018
Właściwości elektroniczne CNTs Diament
Pasmo wzbronione dla SWNT: której n–m jest podzielne przez 3 [eV] 0 (metaliczny) 5,45
Pasmo wzbronione dla SWNT: której n–m jest niepodzielne przez 3 [eV] 0,4–0,7 (półprzewodnikowy)
Pasmo wzbronione dla MWNT [eV] ~0 (nieprzewodzący)
Właściwości termiczne w 20 °C CNTs Srebro Diament Miedź
Przewodnictwo cieplne [W/m*K] 1,50–58,0 4,6 20 3,5
Właściwości fizyczne CNTs Stal Diament Kevlar
Gęstość [g·cm3] 1,33–1,40 7,90 3,52 1,38

Szkodliwość[edytuj | edytuj kod]

W roku 2008 stwierdzono, że niektóre rodzaje nanorurek mogą wywoływać zmiany nowotworowe u myszy – międzybłoniaka opłucnej, podobnie jak azbest[26]. 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[27].

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

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

Konstrukcje[edytuj | edytuj kod]

Choć włókna utworzone z nanorurek węglowych mogą nie mieć aż tak dobrych parametrów jak pojedyncze nanorurki, wciąż mogą znacznie przewyższać współcześnie używane materiały[28][29]. Obecnie pierwsze takie materiały zostały już wytworzone. Na Tour de France 2006 Floyd Landis korzystał z roweru, którego konstrukcję wzmocniono nanorurkami węglowymi. Pozwoliło to zmniejszyć masę ramy roweru do jednego kilograma[30]. Materiały tego typu potencjalnie mogą znaleźć wiele zastosowań w przyszłej inżynierii.

W badaniach w 2006 roku znaleziono nanorurki węglowe w stali damasceńskiej, co mogło zwiększać jej wytrzymałość[31][32][33].

Jednym z najbardziej ambitnych projektów jest użycie nanorurek węglowych do konstrukcji windy kosmicznej. Wymaga to jednak znacznego postępu zarówno w ilości, jak i jakości wytwarzanych materiałów z nanorurek[18].

Układy elektroniczne[edytuj | edytuj kod]

Nanorurki węglowe 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[34].

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”[35]. Metoda ta umożliwiła stworzenie układu zawierającego ponad miliard właściwie ułożonych złącz z nanorurek. Niewłaściwe łącza można było usunąć korzystając ze standardowej litografii[36]. W 2004 roku uzyskano pierwszy układ pamięci oparty na nanorurkach[37].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. H.W. Kroto i inni, C60: Buckminsterfullerene, „Nature”, 318 (6042), 1985, s. 162–163, DOI10.1038/318162a0 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  2. Sumio Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, „Nature”, 354 (6348), 1991, s. 56–58, DOI10.1038/354056a0 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  3. Venkata K.K. Upadhyayula i inni, Evaluating the environmental impacts of a nano-enhanced field emission display using life cycle assessment: a screening-level study, „Environmental Science & Technology”, 48 (2), 2014, s. 1194–1205, DOI10.1021/es4034638, PMID24328392 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  4. Anna Kolanowska i inni, Carbon nanotube materials for electrocardiography, „RSC Advances”, 11 (5), 2021, s. 3020–3042, DOI10.1039/D0RA08679G, PMID35424207, PMCIDPMC8693996 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  5. Douglas R. Kauffman, Alexander Star, Graphene versus carbon nanotubes for chemical sensor and fuel cell applications, „The Analyst”, 135 (11), 2010, s. 2790, DOI10.1039/c0an00262c [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  6. Artur P. Herman, Sławomir Boncel, Oxidised carbon nanotubes as dual-domain synergetic stabilizers in electroconductive carbon nanotube flexible coatings, „RSC Advances”, 8 (54), 2018, s. 30712–30716, DOI10.1039/C8RA05902K, PMCIDPMC9086579 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  7. Won Bong Choi i inni, Ultrahigh-density nanotransistors by using selectively grown vertical carbon nanotubes, „Applied Physics Letters”, 79 (22), 2001, s. 3696–3698, DOI10.1063/1.1419236 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  8. Anna Kolanowska i inni, From blackness to invisibility – Carbon nanotubes role in the attenuation of and shielding from radio waves for stealth technology, „Carbon”, 126, 2018, s. 31–52, DOI10.1016/j.carbon.2017.09.078 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  9. Xiao-Di Wang, K. Vinodgopal, Gui-Ping Dai, Synthesis of Carbon Nanotubes by Catalytic Chemical Vapor Deposition, [w:] Hosam Saleh (red.), Perspective of Carbon Nanotubes, IntechOpen, 11 grudnia 2019, DOI10.5772/intechopen.86995, ISBN 978-1-78984-401-6 (ang.).
  10. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P.C. Eklund, Science of fullerenes and carbon nanotubes, San Diego: Academic Press, 1996, s. 757-760, DOI10.1016/B978-0-12-221820-0.X5000-X, ISBN 978-0-12-221820-0, OCLC 162571937 (ang.).
  11. Choon-Ming Seah, Siang-Piao Chai, Abdul Rahman Mohamed, Synthesis of aligned carbon nanotubes, „Carbon”, 49 (14), 2011, s. 4613–4635, DOI10.1016/j.carbon.2011.06.090 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  12. Charanjeet Singh i inni, Towards the production of large-scale aligned carbon nanotubes, „Chemical Physics Letters”, 372 (5-6), 2003, s. 860–865, DOI10.1016/S0009-2614(03)00531-1 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  13. V Popov, Carbon nanotubes: properties and application, „Materials Science and Engineering: R: Reports”, 43 (3), 2004, s. 61–102, DOI10.1016/j.mser.2003.10.001 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  14. Sławomir Boncel i inni, Tunable chemistry and morphology of multi-wall carbon nanotubes as a route to non-toxic, theranostic systems, „Biomaterials”, 32 (30), 2011, s. 7677–7686, DOI10.1016/j.biomaterials.2011.06.055 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  15. Lei Liu i inni, Colossal paramagnetic moments in metallic carbon nanotori, „Physical Review Letters”, 88 (21), 2002, s. 217206, DOI10.1103/PhysRevLett.88.217206, PMID12059501 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  16. Maria Huhtala, Antti Kuronen, Kimmo Kaski, Computational studies of carbon nanotube structures, „Computer Physics Communications”, 147 (1-2), 2002, s. 91–96, DOI10.1016/S0010-4655(02)00223-0 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  17. M.F. Yu i inni, Strength and breaking mechanism of multiwalled carbon nanotubes under tensile load, „Science”, 287 (5453), 2000, s. 637–640, DOI10.1126/science.287.5453.637, PMID10649994 (ang.).
  18. a b c d Philip G. Collins, Phaedon Avouris, Nanotubes for Electronics, „Scientific American”, 283 (6), 2000, s. 62–69, DOI10.1038/scientificamerican1200-62 (ang.).
  19. This Week in Science. Easy Slider, „Science”, 289 (5479), 2000, s. 505–505, DOI10.1126/science.2000.289.5479.twis (ang.).
  20. J. Cumings, A. Zettl, Low-friction nanoscale linear bearing realized from multiwall carbon nanotubes, „Science”, 289 (5479), 2000, s. 602–604, DOI10.1126/science.289.5479.602, PMID10915618 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  21. A.M. Fennimore i inni, Rotational actuators based on carbon nanotubes, „Nature”, 424 (6947), 2003, s. 408–410, DOI10.1038/nature01823, PMID12879064 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  22. John Cumings, A. Zettl, Localization and Nonlinear Resistance in Telescopically Extended Nanotubes, „Physical Review Letters”, 93 (8), 2004, s. 086801, DOI10.1103/PhysRevLett.93.086801 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  23. K.B.K Teo, C. Singh, W.I. Milne M.Chhowalla, Catalytic synthesis of carbon nanotubes and nanofibres, [w:] Encyclopedia of Nanoscience nad Nanotechnology, Vol. X, 1, Stevenson Ranch, Calif.: American Scientific Publishers, 2004, ISBN 1-58883-001-2, OCLC 54837927 [dostęp 2022-05-12] (ang.).
  24. Table of Tables, hyperphysics.phy-astr.gsu.edu [dostęp 2022-05-12].
  25. Principle Properties of Diamond, University of Bristol [dostęp 2022-05-12].
  26. Craig A. Poland i inni, Carbon nanotubes introduced into the abdominal cavity of mice show asbestos-like pathogenicity in a pilot study, „Nature Nanotechnology”, 3 (7), 2008, s. 423–428, DOI10.1038/nnano.2008.111, PMID18654567 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  27. Hirotaka Nagai, Shinya Toyokuni, Differences and similarities between carbon nanotubes and asbestos fibers during mesothelial carcinogenesis: Shedding light on fiber entry mechanism, „Cancer Science”, 103 (8), 2012, s. 1378–1390, DOI10.1111/j.1349-7006.2012.02326.x, PMID22568550, PMCIDPMC7659359 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  28. Mei Zhang i inni, Strong, Transparent, Multifunctional, Carbon Nanotube Sheets, „Science”, 309 (5738), 2005, s. 1215–1219, DOI10.1126/science.1115311 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  29. Alan B. Dalton i inni, Super-tough carbon-nanotube fibres, „Nature”, 423 (6941), 2003, s. 703, DOI10.1038/423703a, PMID12802323 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  30. Michael Kanellos, Carbon nanotubes enter Tour de France, News.com, 10 lipca 2006 [zarchiwizowane z adresu 2006-07-10] (ang.).
  31. Katharine Sanderson, Sharpest cut from nanotube sword, „Nature”, 2006, news061113–11, DOI10.1038/news061113-11 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  32. Mason Inman, Legendary Swords' Sharpness, Strength From Nanotubes, Study Says, [w:] National Geographic News [online], National Geographic, 18 listopada 2006 [zarchiwizowane z adresu 2006-11-18] (ang.).
  33. Secret's out for Saracen sabres, [w:] New Scientist Tech [online], New Scientist, 25 listopada 2006 [zarchiwizowane z adresu 2006-11-25] (ang.).
  34. Henk W.Ch. Postma i inni, Carbon Nanotube Single-Electron Transistors at Room Temperature, „Science”, 293 (5527), 2001, s. 76–79, DOI10.1126/science.1061797, PMID11441175, JSTOR3084189 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  35. Philip G. Collins, Michael S. Arnold, Phaedon Avouris, Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown, „Science”, 292 (5517), 2001, s. 706–709, DOI10.1126/science.1058782, PMID11326094 [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  36. Song Jin i inni, Scalable Interconnection and Integration of Nanowire Devices without Registration, „Nano Letters”, 4 (5), 2004, s. 915–919, DOI10.1021/nl049659j [dostęp 2022-05-13] (ang.).
  37. Yu-Chih Tseng i inni, Monolithic Integration of Carbon Nanotube Devices with Silicon MOS Technology, „Nano Letters”, 4 (1), 2004, s. 123–127, DOI10.1021/nl0349707 [dostęp 2022-05-13] (ang.).

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]