Koolstoffen nanobuizen: Wat zijn deze juist?

Carbon Nanotubes (CNT’s) ofwel koolstoffen nanobuizen kwamen al meerdere malen ter sprake is vorige artikelen op deze blog. Telkens werd een koolstoffen nanobuis omschreven als een opgerolde laag grafiet, die hol is van binnen. Deze technologie is nog niet direct een algemeen bekende technologie, dit komt doordat de technologie achter deze nanobuizen eigenlijk nog een relatieve jonge technologie is. Men merkte het verschijnsel van koolstoffen nanobuizen 20 jaar geleden voor het eerst op.

Koolstoffen nanobuizen zijn eigenlijk ontdekt door Sumio Iijima, een Japanese fysicus. Eigenlijk is hij niet onmiddelijk de ‘ontdekker’ van de koolstoffen nanobuis, want voordat zijn paper over nanbuizen werd gepubliceerd werd in 1991, waren er al andere wetenschappers bezig met onderzoek omtrent koolstoffen nanobuizen. Zo waren er foto’s van koolstoffen nanobuizen gepubliceerd in een Russisch natuurkundig tijdschrift. In die tijd was de communicatie tussen wetenschappers in het westen en de Sovject-Unie echter beperkt, wat mogelijk de oorzaak was dat het Russische artikel niet echt in de westerse wetenschap is doorgedrongen. Maar door het publiceren van zijn paper over dit onderwerp, is er plots veel meer aandacht gegaan naar koolstoffen nanostructuren en sinds dien is er veel meer onderzoek uitgevoerd in het gebied van de nanotechnologie. De paper die hij schreef over koolstoffen nanobuizen werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature en daarin beschreef hij de aanwezigheid van holle nanostructuren bij het vonken van een koolstoffen elektrode in roet.

Koolstoffen nanobuizen zijn één van de allotropen van koolstof. Allotropie is de naam voor het verschijnsel dat hetzelfde chemisch element in verschillende vaste verschijnigsvormen of allotropen kan voorkomen met een verschillende kristalstructuur. Let wel op het gaat hier dus duidelijk om verschillende vormen van elementen in dezelfde aggregatietoestand, verschillen in elementen tussen vaste, gas en vloeibare fase worden dus niet tot allotropie gerekend. Koolstoffen nanobuizen zijn dus een allotropie van koolstof en deze zijn ook een onderdeel van de groep fullerenen. Fullerenen zijn geheel uit koolstof bestaande moleculen, in de vorm van een holle bol, ellipsoïde of buis. En specifiek de buisvorm is die van de koolstoffen nanobuizen. Er bestaan koolstoffen nanobuizen met een enkele wand, maar er bestaan ook meerwandige nanobuizen.

De koolstoffen nanobuisjes bestaan uit aaneengeschakelde zeshoekige koolstofringen, waardoor een holle, buisvormige structuur ontstaat die niet alleen zeer sterk is maar ook licht. Deze eigenschappen maken nanobuisjes zeer aantrekkelijk als grondstof voor kabels. Koolstoffen nanobuizen zouden duizend keer sterker zijn dan staal en toch zes keer zo licht. Maar naast deze interessante mechanische eigenschappen hebben koolstoffen nanobuisjes ook opvallende geleidende eigenschappen. Sommige varianten zijn metallisch, andere halfgeleidend. De halfgeleidende buisjes kunnen gebruikt worden als een zeer kleine transistor. De transistor is de fundamentele bouwsteen computer en vele andere elektronische apparaten. Hoe de elektronen getransporteerd worden doorheen de nanobuisjes is afhankelijk van de manier waarop deze zijn opgerold. De geleidende koolstoffen nanobuizen geleiden bijzonder goed elektrische stroom, zo’n 1000 maal beter dan koper. Nanobuizen kunnen toegepast worden in een enorm breed scala van gebieden zoals elektronica, optische toepassingen, nanotechnologie, materiaaltechnologie en etc.

Deze koolstoffen nanobuizen kunnen volgens een aantal verschillende productiemethodes schaal gemaakt kunnen worden op commerciële schaal. Zo kan men dit doen met behulp van elektrische vonken, chemical vapor deposition en laser verdamping. BIj het werken met elektrische vonken maakt men gebruik van de methode die er voor zorgde dat men de koolstoffen nanobuizen voor het eerst ontdekte. Bij deze techniek wordt er een heel hoge stroom, rond de 80 à 100 ampère door twee pure grafieten staven geleid. Dit gebeurt in een inerte atmosfeer, bijvoorbeeld argon of helium, zodat de koolstof van de grafieten staven niet met andere elementen gaan reageren. Op de kathode ontstaat er dan roet waarin de koolstoffen nanobuisjes zich bevinden. Aan deze technologie hangt wel een vrij grote kostprijs omdat de zeer zuivere koolstofstaven, de zuivere gassen en de metalen katalysator duur zijn.

Momenteel is de chemical vapor deposition methode de meest belovende voor massaproductie. Chemical vapor deposition staat voor chemische dampdepositie en is een chemisch dampproces waarbij een dunne laag materiaal op een ondergrond wordt aangebracht. Bij dit proces wordt een koolwaterstof on hoge druk en met een metalen katalysator ontleed op een ondergrond. De diameter van de nanobuisjes is afhankelijk van de grootte van metaaldeeltjes. Ook is het met deze methode mogelijk om de metaaldeeltjes in een bepaald patroon op de ondergrond te plaatsen zodat er precies op die bepaalde delen koolstoffen nanobuisjes gevormd worden. Deze methode is interessant omdat hiermee koolstoffen nanobuisjes op grote schaal gemaakt kunnen worden of dat op precieze locaties kunnen aangebracht worden.

De laatste methode maakt gebruikt van laser verdamping. Er worden zeer intense laserpulsen op een zeer zuiver koolstofoppervlak geschoten bij een temperatuur van 1200°C in een argon atmosfeer. Hierdoor verdampt de koolstof ter plaatse, waarna er roet gevormd wordt die koolstoffen nanobuisjes bevat. Een nadeel van deze methode is dat de gevormde koolstoffen nanobuizen eerst nog gezuiverd moeten worden om allerlei andere koolstofsubstanties weg te halen.

Er is wel nog verder onderzoekswerk nog voor een volledige commerciële doorbraak maar deze zal er zeker komen. Alleen al door de verschillende interessante eigenschappen van koolstoffen nanobuizen. In nieuw technologieën die momenteel ontwikkeld worden maakt men al gebruikt van koolstoffen nanobuizen. Hierbij bewijzen ze hun inzetbaarheid en dat het mogelijk is om de interessante eigenschappen te benutten.