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 nieorganiczne nanorurki (m.in utworzone z siarczku wolframu)[1] oraz nanorurki utworzone z
DNA
.[2]
Nanorurki węglowe
Najcieńsze nanorurki węglowe mają średnicę rzędu jednego
nanometra
, a ich długość może być
miliony
razy większa. Wykazują niezwykłą
wytrzymałość
na rozrywanie 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
sp2
. Wiązania te są mocniejsze od wiązań
sp3
tworzących
diament
, co pozwala nanorurkom uzyskiwać większą wytrzymałość. Nanorurki samoczynnie zlepiają się w 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
- Nanorurki jednowarstwowe (SWNT) – 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 wielowarstwowe (MWNT) - zbudowane z wielu warstw atomów, ułożonych w odstępach podobnie jak w graficie. Ich własności zależą od liczby warstw. Nanorurki dwuwarstwowe (DWNT) 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].
Własności
Mechaniczne
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
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 nano
potencjometrów
[14].
Elektryczne
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
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].
Zastosowania
Propozycja połączenia dwóch nanorurek o różnych własnościach elektrycznych tak aby utworzyć
diodę
.
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
Choć włókna utworzone z nanorurek mogą nie mieć aż tak dobrych parametrów jak pojedyncze nanorurki, wciąż mogą znacznie przewyższać współcześnie używane materiały[16]. 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[17]. 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[18][19].
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[20].
Układy elektroniczne
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[21].
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"[22]. Metoda ta umożliwiła stworzenie układu zawierającego ponad miliard właściwie ułożonych złącz z nanorurek. Niewłaściwe łącza można było usunąć korzystając ze standardowej
litografii
[23]. W 2004 roku uzyskano pierwszy układ pamięci oparty o nanorurki[24].
Nanorurki DNA
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[25].
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
Nanorurki udało się również otrzymać na bazie
związków nieorganicznych
. Możliwość taką przewidział już w 1930 r.
Linus Pauling
[26], 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
[27] a także czystej
miedzi
i
bizmutu
[28], 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
[27].
Przypisy
- ↑ 1,0 1,1 Tenne R, Margulis L, Genut M, Hodes G. Polyhedral and cylindrical structures of tungsten disulphide. „Nature”. 360 (6403), ss. 444–446 (1992).
doi:10.1038/360444a0
.
- ↑ 2,0 2,1 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), ss. 16344–16352 (2004).
doi:10.1021/ja044319l
.
ISSN
0002-7863
.
- ↑ Dekker, et al., (1999)
- ↑ Derycke, et al., (2001)
- ↑ Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics - Scientific American; Grudzień 2000
- ↑ Zhu, et al. (2002)
- ↑ Liu et al 2002 Phys. Rev. Lett. 88 217206)
- ↑ Computer Physics Communications 146 (2002), Maria Huhtala, Antti Kuronen, Kimmo Kaski
- ↑ Min-Feng Yu et. al (2000), Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load, Science 287, 637-640
- ↑ 10,0 10,1 Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics - Scientific American December 2000, 69
- ↑
Easy Slider - 289 (5479): 505 - Science
- ↑ John Curnings et al. (2000), Low-Friction Nanoscale Linear Bearing Realized from Multiwall Carbon Nanotubes, Science 289, 602-604
- ↑ A. M. Fennimore et al. (2003), Rotational actuators based on carbon nanotubes, Nature 424, 408-410
- ↑ John Curnings et.al. (2004), Localization and Nonlinear Resistance in Telescopically Extended Nanotubes, Physical Review Letters 93
- ↑ Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics - Scientific American December 2000, 68
- ↑ Zhang et al. Science (2005), 309(5738), 1215. and Dalton et al. Nature (2003), 423(6941), 703.
- ↑
http://news.com.com/Carbon+nanotubes+enter+Tour+de+France/2100-11395_3-6091347.html?tag=fd_carsl
Visited 10-15-2006
- ↑
Legendary Swords' Sharpness, Strength From Nanotubes, Study Says
- ↑
Secret's out for Saracen sabres
- ↑ Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics, Scientific American (2000)
- ↑ Dekker, Postma et al (2001), Carbon Nanotube Single-Electron Transistors at Room Temperature - Science 293.5527 (July 6, 2001)
- ↑ Avouris, Arnold, Collins Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown - Science 292.5517 (April 27, 2001):706-9
- ↑ Kalaugher Scalable Interconnection and Integration of Nanowire Devices Without Registration Nano Letters 4.5 (2004):915-19
- ↑ Tesng et alMonolithic Integration of Carbon Nanotube Devices with Silicon MOS Technology Nano Letters 4.1 (2004):123-127
- ↑ Winfree, Eric; Liu, Furong; Wenzler, Lisa A. & Seeman, Nadrian C.. Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals. „{{{czasopismo}}}”, ss. 529–544 (1998).
doi:10.1038/28998
.
ISSN
0028-0836
.
- ↑ Pauling L. The Structure Of The Chlorites. „{{{czasopismo}}}”, ss. 578–82 (1930).
doi:10.1073/pnas.16.9.578
.
PMID 16587609
.
- ↑ 27,0 27,1 Bethany Halford.
Inorganic Menagerie
. „{{{czasopismo}}}”. 83 (35), ss. 30-33 (2005).
ISSN
0009-2347 ISSN 0009-2347
.
- ↑
Electrochemical synthesis of metal and semimetal nanotube–nanowire heterojunctions and their electronic transport properties
.
Zobacz też
Linki zewnętrzne