Remove ads
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, 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.
Remove ads
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 koolstofelektrode. 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, waardoor het artikel niet echt in de westerse wetenschap is doorgedrongen.
Remove ads
Enkelwandige nanobuizen
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
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.
Remove ads
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 zigzagtype, wanneer n = m is de nanobuis een armchairtype (armstoel). 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.[3]
Remove ads
Er zijn uiteenlopende methoden voor het fabriceren van CNT's. CNT's kunnen gemaakt worden met behulp van elektrische vonken, Chemical Vapor Deposition (CVD), laser verdamping, elektrolyse en door pyrolyse van ferroceen.
Vonken
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.[4]
Thermische CVD
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.[5]
Plasma Enhanced CVD
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.[6]
Laserverdamping
Bij de laserverdampingtechniek 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.[7]
Remove ads
Elektrische eigenschappen
MWCNTs zijn altijd elektrisch 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.[8] SWCNTs gedragen zich bij zeer lage stromen als kwantumgeleider, waarbij een enkel geleidingskwantum zonder weerstand door een SWCNT kan voortbewegen.
Thermische eigenschappen
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.[8][9]
Mechanische eigenschappen
Koolstofnanobuizen zijn een van de sterkste materialen die bekend zijn. Vooral de treksterkte is gigantisch, metingen laten een treksterkte zien van 63 GPa.[10] Ter vergelijking, de treksterkte van zeer treksterk staal is zo'n 2 GPa.[8] 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 ze te breken. Koolstofnanobuizen hebben theoretisch de langste breeklengte van alle bekende materialen, namelijk 5000 tot 6000 km,[11]
CNTs zijn niet erg sterk onder compressie. Hun holle structuur zorgt ervoor dat ze snel dubbelvouwen.
Medisch-biologische eigenschappen
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.[12] Dat is in de eerste plaats een risico tijdens de productie van nanobuizen, niet bij gebruik; uit de meeste producten met nanobuizen komen ze waarschijnlijk niet vrij tijdens normaal gebruik. Na afdanking van het product is het vrijkomen afhankelijk van de aard van de afdanking: vuilstort, verbranding, vergaan.
Remove ads
Remove ads
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
Remove ads