Koolstofnanobuis

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Koolstofnanobuizen (Engels: carbon nanotubes of CNT) zijn een van de allotropen van koolstof en onderdeel van de groep fullerenen. Een koolstofnanobuis is een opgerolde laag grafeen, hol vanbinnen, waarbij de lengte tienduizenden malen groter kan zijn dan de diameter. Koolstofnanobuizen hebben veel interessante eigenschappen waardoor zij geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingen, onder andere in nanotechnologie, elektronica, optica en nieuwe materialen.

Enkelwandige Koolstofnanobuis

Ontdekking[bewerken]

Veel wetenschappelijke artikelen noemen Sumio Iijima als de ontdekker van koolstofnanobuizen. Hij schreef in 1991 een artikel[1] in Nature waarin hij de aanwezigheid van holle structuren van koolstof beschreef, in roet ontstaan bij het vonken van een koolstof elektrode. Hoewel het onderzoek naar koolstofnanobuizen pas sinds het artikel van Iijima op gang is gekomen zijn er eerdere foto's van koolstofnanobuizen bekend uit een Russisch natuurkundig tijdschrift, in een artikel van Radushkevich en Lukyanovich. In die tijd was de communicatie tussen wetenschappers in het westen en de Sovjet-Unie echter beperkt, wat mogelijk de oorzaak was dat het artikel niet echt in de westerse wetenschap is doorgedrongen.

Types[bewerken]

Enkelwandige nanobuizen[bewerken]

Structuren van enkelwandige koolstofnanobuizen. Rechtsboven zigzag, linksonder chiral, rechtsonder armchair

Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT = Single wall carbon nanotubes) zijn buizen bestaande uit een naadloos opgerolde laag grafeen (grafietlaag van één atoom dik). De diameter is typisch zo'n 1 nm, terwijl de lengte enkele micrometers kan bedragen. De eerste bekende beschrijving van SWCNT is van Iijima in Nature in 1993[2]. Grafeen kan op verschillende manieren opgerold worden tot een SWCNT en de precieze manier heeft grote invloed op de elektrische eigenschappen van een SWCNT.

Meerwandige nanobuizen[bewerken]

Meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNT = Multi-Wall Carbon Nanotube) zijn de buizen die beschreven zijn door Radushkevich in 1952 en Iijima in 1991. Ze bestaan uit meerdere lagen opgerold grafeen en hebben een grotere diameter dan SWCNT, typisch zo'n 5-100 nm. De afstand tussen twee lagen in een MWCNT is ongeveer gelijk aan de afstand tussen twee lagen grafeen in grafiet: zo'n 0.33 nm. Een groot voordeel van MWCNT bij toepassingen is de verhoogde weerstand tegen chemicaliën. MWCNT kunnen gefunctionaliseerd worden (er kunnen andere moleculen aan het oppervlak gebonden worden voor extra functionaliteiten) zonder dat de structuur verloren gaat.

Structuur[bewerken]

Kristalvectoren a1 en a2 om een SWCNT te beschrijven. T is de as van de nanobuis.

Er kan onderscheid gemaakt worden tussen enkelwandige en meerwandige koolstofnanobuizen.

De structuur van een SWCNT kan beschreven worden met twee coëfficiënten, n en m, voor de kristalvectors, zoals te zien in de afbeelding. Wanneer m gelijk is aan 0 is de nanobuis een zigzag type, wanneer n = m is de nanobuis een armchair (armstoel) type. Deze namen komen van de structuur van de koolstofbindingen langs de rand van de buis wanneer je zo'n type nanobuis loodrecht op de as af zou snijden. Alle overige structuren worden chiral (gedraaid) genoemd.

Synthese[bewerken]

Er zijn uiteenlopende methoden voor het fabriceren van CNT's. CNT's kunnen gemaakt worden met behulp van elektrische vonken, Chemical Vapor Deposition, laser verdamping, elektrolyse en door pyrolyse van ferroceen.

Vonken[bewerken]

Bij de vonkentechniek wordt een stroom van zo'n 80-100A door twee zeer pure grafieten staven geleid, onder een inerte atmosfeer van bijvoorbeeld argon of helium. Op de kathode ontstaat roet, waarin koolstofnanobuisjes zitten. Normaliter worden er MWCNT gevormd met deze techniek, maar ook SWCNT kunnen gevormd worden door toevoeging van een metaal als katalysator. Nadelen van deze techniek zijn de hoge kosten, omdat zowel de zeer zuivere koolstofstaven, de metalen katalysator als de zuivere gassen duur zijn.[3]

Thermische CVD[bewerken]

De Thermische CVD techniek is momenteel de meestbelovende techniek, omdat CNT's zowel op grote schaal als op gerichte oppervlakken gemaakt kunnen worden. Bij deze techniek wordt een koolwaterstof onder hoge druk en met een metalen katalysator ontleed op een substraat. De diameter van de nanobuisjes is afhankelijk van de grootte van de metaaldeeltjes en door de metaaldeeltjes in een bepaald patroon op het substraat te plaatsen kunnen precies op die plekken CNT's gemaakt worden.[4]

Plasma Enhanced CVD[bewerken]

Behalve Thermische CVD kan ook Plasma Enhanced CVD gebruikt worden. Hierbij wordt een sterk elektrisch veld gebruikt, dat er onder andere voor zorgt dat de nanobuisjes in de richting van het elektrisch veld groeien. Zonder dit veld zijn de nanobuisjes over het algemeen willekeurig georiënteerd. [5]

Laser verdamping[bewerken]

Bij de laser verdamping techniek worden zeer intense laserpulsen op een zeer zuiver koolstofoppervlak geschoten bij een temperatuur van 1200 graden in een argon atmosfeer. Hierdoor verdampt de koolstof ter plaatse, waarna roet wordt gevormd dat CNT's bevat. Een nadeel van deze techniek is dat de CNT's eerst gezuiverd moeten worden om allerlei andere koolstofsubstanties weg te halen.[6]

Eigenschappen[bewerken]

Chemische eigenschappen[bewerken]

CNTs hebben een zeer grote oppervlakte/gewicht ratio (100-200m²/g). Hierdoor kunnen ze gebruikt worden als basismateriaal om katalyse mee uit te voeren. CNTs zelf zijn vrij inert, en lossen niet op in water. Om toch CNTs te kunnen gebruiken in oplossingen kunnen ze worden voorbehandeld met waterstofnitraat. Dit zorgt voor zuurstofgroepen aan de oppervlakte van de CNTs waardoor ze oplosbaar worden.

Elektrische eigenschappen[bewerken]

MWCNTs zijn altijd geleidend. SWCNTs zijn soms geleidend en soms isolerend, afhankelijk van de precieze structuur. De geleidende CNTs geleiden bijzonder goed, ze geleiden zo'n duizendmaal beter dan koper. Geleiding wordt geschat op zo'n miljard ampère per vierkante centimeter.[7] SWCNTs gedragen zich bij zeer lage stromen als kwantumgeleider, waarbij een enkel geleidingskwantum G_{0} zonder weerstand door een SWCNT kan voortbewegen.

Thermische eigenschappen[bewerken]

CNTs zijn zoals de meeste koolstofallotropen goede warmtegeleiders. Hun geleidingscoëfficiënt in de richting van de as is uitgerekend op 6600W/mK, bijna twee keer zo hoog als diamant wat tot de ontdekking van CNTs de beste bekende warmtegeleider was. In de richting loodrecht op de as door de CNT is de geleiding zeer slecht.[7][8]

Mechanische eigenschappen[bewerken]

Koolstofnanobuizen zijn een van de sterkste materialen die bekend zijn. Vooral de treksterkte is gigantisch, metingen laten een treksterkte zien van 63 GPa[9]. Ter vergelijking, de treksterkte van zeer treksterk staal is zo'n 2 GPa[7]. De verhouding sterkte per gram is nog veel beter door het lage gewicht van CNTs. CNTs zijn ook erg flexibel. De structuur blijft bij buigen intact, terwijl bij conventionele koolstofvezels de vezels breken op de grensvlakken van twee kristallen. Het is zelfs mogelijk om knopen te leggen in SWCNTs zonder deze te breken. Koolstofnanobuizen hebben theoretisch de langste breeklengte van alle bekende materialen, namelijk 5.000 tot 6.000 km, [10]

CNTs zijn niet erg sterk onder compressie. Hun holle structuur zorgt ervoor dat ze snel dubbelvouwen.

Medisch-biologische eigenschappen[bewerken]

Met name de langere nanobuizen worden ervan verdacht in het lichaam soortgelijke eigenschappen te vertonen als asbest: ze veroorzaken chronische irritatie doordat ze niet of nauwelijks afgebroken kunnen worden. Dat zou kunnen leiden tot asbestose.[11] Dat is in de eerste plaats een risico tijdens de productie van nanobuizen; uit de meeste producten met nanobuizen komen deze waarschijnlijk niet vrij tijdens normaal gebruik. Na afdanking van het product is het vrijkomen afhankelijk van de aard van de afdanking: vuilstort, verbranding, vergaan.

Toepassingen[bewerken]

Atomic Force Microscopy[bewerken]

CNTs kunnen gebruikt worden als AFM punten. Door de kleine diameter van SWCNTs is een hogere resolutie haalbaar dan met conventionele silicium punten. Een ander voordeel is dat een SWCNT punt buigzaam is, waardoor deze kan ombuigen en weer terugveert als hij per ongeluk op het oppervlak botst.

Het is ook mogelijk om specifieke moleculen aan de punt te bevestigen, waardoor de gevoeligheid voor bepaalde stoffen sterk kan worden vergroot.

Waterstofopslag[bewerken]

Door de enorm grote oppervlakte van CNTs zijn ze interessant voor waterstofopslag. Door capillaire werking kan waterstof opgezogen worden door CNT's, zonder dat er chemische bindingen zijn. Hierdoor is de waterstof er weer gemakkelijk uit te krijgen.

Nanopincetten[bewerken]

Koolstofnanobuizen kunnen gebruikt worden als nanopincetten. Twee nanobuizen naast elkaar kunnen geopend en gesloten worden door er een spanning op te zetten. Problematisch is dat CNTs nogal plakkerig zijn waardoor het moeilijk is objecten weer los te laten.

Sensors[bewerken]

Geleidende SWCNTs zijn zeer gevoelig voor de omgeving. Hun geleiding verandert door contact met allerlei gassen. Problematisch kan zijn dat het moeilijk is om onderscheid te maken tussen verschillende gassen.

Supersterke materialen[bewerken]

CNTs zijn extreem sterk en toch flexibel. Er zouden nieuwe materialen gemaakt kunnen worden die hiervan profiteren. Koolstofnanobuizen zouden sterk genoeg zijn om er een ruimtelift mee te maken.[10] Voorlopig is dit echter nog sciencefiction, omdat CNTs moeilijk te verwerken zijn en de prijs 10 tot 1000 keer zo hoog is als conventionele koolstofvezels.

Batterijen[bewerken]

Koolstofnanobuizen kunnen gebruikt worden als stabilisator in lithium batterijen. De zeer reactieve anode van zo'n batterij kan met MWCNTs veel beter gestabiliseerd worden dan met andere koolstofallotropen.[12]

Zonnecellen[bewerken]

CNTs kunnen wellicht gebruikt worden als nanogeleiders in zonnecellen om de efficiëntie te verbeteren. Zie ook: polymeerzonnecel.

Nanolagers[bewerken]

Meerwandige koolstofnanobuizen kunnen beschouwd worden als meerdere enkelwandige buizen in elkaar. In perfecte MWCNTs zijn er geen bindingen tussen de verschillende lagen. Hierdoor kunnen de lagen gemakkelijk langs elkaar schuiven. Op deze manier is het mogelijk om atomisch perfecte roterende of lineair bewegende lagers te maken.[13]

Bacteriedoders[bewerken]

Enkelvoudige koolstofnanobuizen blijken in een onderzoek van een team rond M. Elimelech effectief bij het doden van de bacterie E. coli. Vermoedelijk prikken de buisjes door de celwanden van de bacteriën. Meerwandige koolstofnanobuizen zijn minder effectief. [14] De giftigheid van SWCNT's was eerder ook al vastgesteld in de longen van muizen, al kan hier volgens Elimelech vervuiling met zware metalen een rol hebben gespeeld [15][16].

Bronnen, noten en/of referenties
  1. S. Iijima, "Helical microtubules of graphitic carbon", Nature, 354 (november 1991):56-58
  2. S. Iijima, "Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter", Nature, 363 (juni 1993):603-605
  3. T.W. Ebbesen en P.M. Ajayan, "Large-scale synthesis of carbon nanotubes", Nature, 358 (juli 1992): 220-222
  4. S.B. Sinnott et al, "Model of carbon nanotube growth through chemical vapor deposition", Chemical Physics Letters, 315 (december 1999): 25-30
  5. Z.F. Ren et al, "Synthesis of large arrays of well-aligned carbon nanotubes on glass", Science, 282 (november 1998): 1105-1107
  6. T. Guo et al, "Catalytic growth of single-walled nanotubes by laser vaporization", Chemical Physics Letters, 243 (september 1995): 49-54
  7. a b c P.G. Collins en P. Avouris, "Nanotubes for electronics", Scientific American, 283 (Debember 2000): 62-69
  8. J. Hone et al, "Thermal properties of carbon nanotubes and nanotube-based materials.", Applied Physics A, 74 (2002): 339-343
  9. M.H. Yu et al, "Strength and breaking mechanisms of multiwalled carbon nanotubes under tensile load", Science, 287 ( januari 2000): 637-640
  10. a b (nl) Hoe lang kun je een touw maken alvorens het breekt door zijn eigen gewicht?. De Standaard (12 maart 2012) Geraadpleegd op 9 februari 2013
  11. BBC NEWS | Science/Nature | 'Asbestos warning' on nanotubes
  12. M. Endo et al, "Recent development of carbon materials for li ion batteries", Carbon, 38 (2000): 183-197
  13. J. Cumings en A. Zettl, "Low-friction nanoscale linear bearing realized from multiwall carbon nanotubes", Science, 289 (juli 2000): 602-604
  14. Elimelech, M. et al. (2007), "Single-Walled Carbon Nanotubes Exhibit Strong Antimicrobial Activity", Langmuir, vol. 23 (17), pp. 8670-8673, 21 juli 2007.
  15. C.-W. Lam, John T. James, Richard McCluskey, en Robert L. Hunter (2004), "Pulmonary toxicity of single-wall carbon nanotubes in mice 7 and 90 days after intratracheal installation", Toxicol.Sci, vol. 77, pp. 126-134.
  16. Koolstof nanotubes doden bacterie E. coli razendsnel, NRC Handelsblad, 9 september 2007.