Seminární práce Nanomateriály uhlíkové NANOtrubky
Antonín Čajka
Od fullerenů k nanotrubkám. Fullereny nejsou pouze dvacetistěny C60. Existuje také spousta jiných, jejichž tvar je více oblý a připomíná spíše ragbyový míč. Společným znakem všech fullerenů je tedy hexagonální uhlíková síť, podobná grafitové a přítomnost přesně dvanácti pětiúhelníkových ploch. Jednotlivé fullereny se tedy liší pouze množstvím šestiúhelníkových ploch na povrchu. V roce 1990 odvodil Dr. Richard Smalley, že z principu je možné vytvořit válcové fullereny, uzavřené na obou koncích. Příkladem by mohly být dvě polokoule C60 spojené přímým válcem složených pouze z šestiúhelníkových jednotek. O rok později pozoroval Sumio Iijima vícestěnné nanotrubky ( MWNT – Multi Walled NanoTubes ) vzniklé obloukovým výbojem při výrobě fullerenů. Za další dva roky objevil Sumio Iijima a Donald Bethune nezávisle na sobě jednostěnné nanotrubky ( SWNT – Single Walled NanoTubes ) Objev nanotrubek způsobil ve vědeckém světě stejné nadšení jako předtím objev fullerenů.
Struktura nanotrubek Nanotrubky jsou velmi dlouhé ( několik milimetrů ) a úzké ( několik nanometrů) čistě uhlíkaté trubičky s různými průměry. Mohou být duté , plné a několikavrstvé. Nanotubulární formy uhlíku vznikají sbalením dvojrozměrně periodické grafenové vrstvy do válce ( trubičky ) . Z hlediska strukturního uspořádání lze nanotubulární uhlík rozdělit na jednovrstvý (SWNT) a vícevrstvý (MWNT) strukturní typ.
-> SWNT . Výsledná struktura nanotrubek závisí na směru v němž dochází ke sbalování.
Je – li grafénová vrstva sbalená do válce v ose válce (hexagonu), vznikající struktura je přímá, tzn přímka spojující středy hexagonů grafénové vrstvy je rovnoběžná s osou vlákna.
Druhou strukturou nanotrubek je struktura vznikající při sbalování nepřímém (ukloněném) směru, tzn. Přímka spojující středy hexagonu grafénové vrstvy není rovnoběžná s osou vlákna.
Přímá
Nepřímá
Zig Zag struktura
-> MWNT Vícevrstvá nanotubulární forma uhlíku je tvořena několika grafenovými vrstvami, která vznikla sbalením těchto vrstev. Vznik vícevrstvých nanotrubek je doprovázen současným vznikem poruch vnějších grafénových vrstev, jejichž četnost je závislá na počtu sbalených vrstev a poloměru vznikajících nanotrubek. Jejich vnitřní průměry se pohybují v rozmezí 1 až 3 nm a v délce mohou dosahovat několika mikrometrů.
Chemická reaktivita Z chemického hlediska představují nanotrubky nereaktivní systémy. Jejich modifikací lze dosáhnout do jisté míry rozpustnosti např. v organických rozpouštědlech. To je založeno na částečné oxidaci převážně koncových částí skeletu pomocí koncentrované kyseliny dusičné s využitím ultrazvuku za vzniku karboxylových skupin.
Další možností umožňující rozpouštění nanotrubiček je jejich obtočení příslušnými polymery.
Různé modifikace:
Všechny modifikace viditelné na obrázku vedou k narušení van der Wallsových interakcí mezi jednotlivými nanotrubičkami.
Velmi zajímavou modifikací je naplnění uhlíkatých nanotrubek jiným materiálem, který vede k velkému ovlivnění převážně fyzikálních vlastností
<- nanodrátek
Příprava nanotrubek
A) Syntéza v elektrickém oblouku
B) Laserová abilace
C) Rozklad plynných uhlovodíků pomocí katalytické chemické depozice par CCVD (angl. Chemical vapor deposition)
Příklad tepelné chemické depozice par CVD :
Vlastnosti a využití nanotrubek
Nelze pochybovat, že nanotrubky mají velmi slibnou perspektivu jak v základním, tak i aplikovaném výzkumu. Z velké části je tato aplikovatelnost spojována s jedinečnou elektronovou strukturou, dobrými mechanickými vlastnostmi a flexibilitou. Nanotrubky byly roku 1998 vyhlášeny za nejlepší materiál a je dost pravděpodobné, že v budoucnu již lepší nebude moci být připraven. Nanotrubičky se zřejmě stanou základím kamenem nových nanostrukturních materiálů s významnými elektrickými a mechanickými vlastnostmi. Jedním z nejatraktivnějších oborů je molekulová nanotechnologie, využívající neobvyklých vlastností nanouhlíkatých materiálů k sestrojování prvních nanomechanismů. Konstrukčním materiálem pro ně se staly právě nanotrubky. Ložiska, ojnice, převodovky, nanomotory a nanoložiska představují nejzajímavější funkční nástroje z oblasti nanoelektromechanických systémů.
Vykazují neobyčejnou pevnost a pružnost, přičemž mají schopnost vést elektrický proud (hlavně SWNT ). K tomu velkou měrou přispívá možnost implantovat atomy kovů (Cr, Ni ) do struktury a tak vyrábět nanodráty. Za jistých okolností se mohou chovat také jako polovodiče. Tato schopnost vedla k vytvoření molekulárního tranzistoru, který funguje za pokojové teploty. Tím byla otevřena cesta molekulové elektronice, miniaturizaci výpočetní techniky a zvýšení rychlosti počítačů. Například už je známa převodovka složená z 2000 atomů, která je schopna 7 miliard otáček za vteřinu. (7Ghz) Neméně významnou vlastnotí je velmi dobrá tepelná vodivost srovnatelná s vodivostí diamantu.
Pro srovnání mechanických vlastnosí s některými materialy: :
Rozsáhlých pokroků bylo dosaženo v oblasti mikroskopie atomárních sil ( AFM ) kde s velkým úspěchem nanotrubičky využívají. Ty umožňují skenování v místech, která jsou běžným hrotem nedostupná. Tento způsob představuje v součastnosti jednu z nejvíce preferovaných metod v oblasti nanotechnologie vhodných k manipulaci s nanomateriály. Vědci z několika amerických univerzit sledovali interakci bílých krvinek v roztoku s uhlíkatými nanotrubičkami. Bylo zjištěno, že krvinky přistupovaly k 10 000krát menším nanotrubičkám jako k cizorodému tělesu a pohlcovaly je. Jejich přítomnost však nezpůsobila žádné změny vlastností krvinek. Jejich velikost, tvar nebo schopnost přilnout k povrchu zůstaly zcela normální. V souvislosti s chováním nanotrubiček bylo zjištěno, že ty jsou schopny v těle pohlcovat oxid uhličitý. Tato skutečnost vedla k závěru, že by mohly sloužit jako výborné nanosenzory použitelné rovněž jako detektory nebo analyzátory např. alkoholu v těle.
V roce 2002 Bruse Weisman zjistil, že jednovrstvé uhlíkaté nanotrubičky jsou fluorescentní v oblasti světla blízké infračervenému záření a současně zjistil, že fluorescence je detekovatelná i když se nanotrubičky nacházejí uvnitř buněk. Vzhledem k tomu, že okolní na dotyčnou frekvenci světla nereaguje, bude možné světélkování nanotrubiček využít ke zjištění jejich přítomnosti v buňkách a potenciálně i jako základ pro novou diagnostickou zobrazovací metodu. Je nutné upozornit, že před samotným využíváním uhlíkatých nanotrubek v živých organismech bude nutné zjistit míru jejich toxity.
Současnost
Optické vlákno, které přenese 100 terabitů.
Ke zlomení rekordu došlo díky výzkumu dvou týmů současně. Jeden z nich, konaný v laboratořích firmy NEC vedl Dayou Quian. Ten na nedávné konferenci o optických kabelech konané v Los Angeles oznámil, že se mu za jedinou sekundu podařilo přenést 101,7 terabitů informací po 165 km dlouhém kabelu. A jak lze vlastně k takovému obřímu navýšení kapacity přenosu dojít? Quianův tým využil trik, který spočívá v tom, že vlákno může současně přenášet světlo o vlnových délkách. Klíčem k úspěchu bylo to, že se mu podařilo uspořádat světelné vlny tak, aby nedocházelo k jejich interferenci, která by způsobovala „šum“.
Nové solární panely využívající viry
Honba za vyšší efektivitou solárních článků vede vědce k využívání řady komponent, které by v této souvislosti napadly asi málokoho. Inženýři z amerického MIT nedávno představili solární články, které si ke své vyšší efektivitě dopomohou pomocí upravených virů. Podle jejich odhadů by se díky této inovaci mohla zvýšit efektivita článků až o jednu třetinu. V čem vlastně spočívá podstata této inovace? Při vývoji nových článků vědci již delší dobu pracují s grafenovými nanotrubičkami, které napomáhají při „sklizni“ elektronů a tvorbě proudu. Tyto trubičky jsou sice velmi nápomocné, přeci jen se však neubrání citelným ztrátám. Jejich efektivita se však výrazně zvýší, pakliže se k nim nainstaluje jakési „podpůrné zařízení“, které se na ně naváže. Toto přídatné „lešení“, které navrhli vědci z MIT pod vedením prof. Angely Belcherové, má původ právě v bakteriálním viru M13. Virový peptid může být navíc geneticky upraven tak, aby vytvořil vrstvičku oxidu titaničitého, který je důležitou součástí článků. Nanotrubičky obalené virovými peptidy jsou navíc snadno rozpustné ve vodě i při pokojové teplotě. Proces výroby článků se díky tomuto jevu nejen zjednoduší, ale i zlevní.
Nesmrtelné notebooky - paměť, která je stokrát méně spotřebivá. Menší a výkonnější .Skupina výzkumníků snížila spotřebu energie až stokrát oproti stávajícím PCM pamětem , a to tak, že se zaměřila na to podstatné, tedy na velikost. Řešení bylo radikální. Kovové vodiče nahradily uhlíkové nanotrubice o průměru 10 000krát menším než lidský vlas. „Spotřeba energie je v podstatě určená objemem bitu (nejmenší jednotka informace) paměti. Použitím nanokontaktů jsme schopni dosáhnout mnohem menší spotřeby energie. Malé množství PCM materiálu umístěné mezi uhlíkovými nanotrubičkami „funguje“ i když jimi prochází jen relativně velmi slabý elektrický proud. Uhlíkové nanotrubice jsou nejmenší známé elektrické vodiče. Jsou lepší než jakýkoli kov pro přenos malých elektrických impulzů.
