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

Zobacz też

• Nanotechnologia

Linki zewnętrzne

• New Scientist Special Report – zbiór artykułów o nanotechnologii
• The stuff of dreams
• Animacje z udziałem nanorurek (media player)
• The wonderous World of Carbon Nanotubes (Wprowadzenie do nanorurek, .pdf)
• nanotechweb.org Serwis poświęcony nanotechnologii
• Carbon - Super Stuff
• Carbon nanotech may have given swords of Damascus their edge - Nature 2006
• Modele nanorurek
• Zdjęcia nanorurek