Nanocsövek

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
1. ábra: szén nanocső
3. ábra: Többfalú szén nanocsövekből álló keverék
4. ábra: Különböző típusú szén nanocsövek, kiralitási vektor
5. ábra: Nanocső „köteg”
6. ábra: Egyik végén zárt szén nanocső

A nanocsövek olyan, igen apró, nano méretű, belül üres, henger alakú anyagszerkezetek, melyek falát azonos, vagy különböző, egymással kovalens kötéssel összekapcsolódó atomok alkotják. Néhány nanométeres belső átmérőjükhöz képest hosszuk több tíz- vagy százezerszer is nagyobb lehet.

Előállítottak már szén, bór-nitrid, szilícium-dioxid, titán-dioxid, réz(II)-oxid, cink-oxid nanocsöveket is.

A nanométer a méter milliárdodrésze: 1 nm = 10−9 m. Az atomi méretek tartománya: 10 egymás mellé felsorakoztatott hidrogénatom 1 nm-t tesz ki.[1]

Szén nanocsövek[szerkesztés]

A szén nanocsövek a szén harmadik allotrop módosulatának, a fullerének családjának a tagjai. Átmérőjük a nanométeres tartományba esik: 0,6–1,8 nm, hosszuk néhány mikrométertől akár centiméteres nagyságig is terjedhet. A csövek falának vastagsága egyetlen szénatom átmérőjének felel meg. Az emberi hajszálnál négy nagyságrenddel vékonyabbak. A többfalú szén nanocsövek átmérője 1–100 nm között változik.

A nanocső falát szénatomok alkotják, melyek kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A szénatomok hasonlóan kapcsolódnak egymáshoz, mint a grafitban, tehát hatszögeket alkotnak. Az atomok sp2 hibridállapotban vannak, és három kovalens kötést hoznak létre. A negyedik, kovalens kötésben részt nem vevő elektron elektromos vezető tulajdonságot kölcsönöz a nanocsőnek. A C−C kötések erősebbek mint a gyémántban, és ennek köszönhetően az atomok közti távolságok is kisebbek, mint a gyémántban. Ez óriási szilárdságot kölcsönöz a szén nanocsöveknek.

A szén nanocsövekből álló anyag fekete, vattaszerű.

Nem szabad összetéveszteni a szén nanocsöveket a szénszálakkal, amelyektől úgy méretben, mint szerkezetben és tulajdonságokban élesen eltérnek.

Előállítás[szerkesztés]

Először 1991-ben figyelték meg őket, miközben grafitrúdból fulleréneket állítottak elő, ívkisüléses elpárologtatással. Ezek többfalú nanocsövek voltak, külső átmérőjük 2 és 20 nm között, a szomszédos falak távolsága ≈ 0,34 nm körül volt. Ez megegyezik a grafit rétegei közötti van der Waals-távolsággal.

A 90-es évek közepén már egyfalú szén nanocsövek előállítása is lehetségessé vált, megfelelő katalizátor jelenlétében, a grafit lézeres elpárologtatásával.

Különböző technológiával állíthatók elő:

  • Az egyik ilyen eljárás a már említett lézeres technológia. Lényege egy grafitfelület lézeres elpárologtatása, melynek során nagyon erős lézerimpulzussal szén plazmát hoznak létre. Ebből hűtéssel nanocsövek keletkeznek. Előnye, hogy a hőmérséklet segítségével kontrollálható szén nanocsövek átmérőinek tartománya. Hátránya, hogy nagyon költséges a drága lézerek miatt.
  • A szén nanocsövek előállíthatók plazmatechnológiával is, inert atmoszférában (He, Ar), két grafit elektróda közötti elektromos ívben. A 3000 °C feletti hőmérsékleten, az elektródák között átfolyó, 100 ampert is meghaladó áram, az ívfény hatására a grafitelektródokból szénatomok, illetve atomcsoportok válnak ki, lehűlve pedig nanocsövekké alakulhatnak. A nanocsövek kialakulását fémkatalizátorok segítik elő. Így kevés szerkezeti, strukturális hibával vagy éppen hiba nélküli szén nanocsövek állíthatók elő. Hátránya, hogy így rövid, 50 mikronnál kisebb, különböző hosszúságú és feltekeredettségű nanocsövek keveréke keletkezik.
  • A legelterjedtebb módszer a szénhidrogének gázfázisú katalitikus bontása, néhány nanométeres fémklasztereken (Co, Ni, Fe). Könnyen átültethető az ipari termelésbe. Ezzel az eljárással kontrollálható a szén nanocsövek hossza, ily módon optikai szálak építéséhez használható nanocsövek állíthatók elő. Hátránya, hogy többfalú, hibás nanocsövek is keletkeznek.
Lézeres technológia
Plazmatechnológia

Szén nanocső típusok[szerkesztés]

Az egyetlen atom vastagságú grafitréteg, más néven grafén[2][3] csővé tekerése többféle módon történhet:

Így:

Egy grafitréteg
A feltekerés egyik módja: cikk-cakk cső

vagy így:

Egy grafitréteg
A feltekerés másik módja: karosszék cső

vagy így:

Egy grafitréteg
A feltekerés harmadik módja: királis cső

A 4. ábrán mindhárom feltekerési módot láthatjuk.

A feltekerési módokat a feltekerési- vagy kiralitási vektorral jellemzik:

Kiralitási vektor és a különböző feltekerési módok
Különböző típusú szén nanocsövek: Karosszék cső, cikk-cakk cső, királis cső

Az n és m kiralitási indexekkel (melyek a kiralitási vektornak a hatszöges rács két primitív vektorára vonatkozó komponensei) egyértelműen meghatározható a nanocső típusa:

  • ha n = m (n, n a fenti ábrán), akkor karosszék csövekről van szó.
  • ha n, vagy m nulla értékű, akkor cikk-cakk csöveket kapunk.

Ebben a két esetben léteznek a csőnek tükörsíkjai.

  • ha n ≠ m ≠ 0, akkor nincs tükörsík és ilyenkor királis csőről beszélünk.

Ilyen módon különböző szerkezetű és tulajdonságú nanocsöveket kapunk:

A feltekerés módja meghatározza például a nanocsövek elektromos vezetőképességét: ha (n−m)/3 egész szám, akkor a cső fémes, ellenkező esetben szigetelő.

A nanocső egyik vége zárt is lehet, itt ötszögek is találhatók: 6. ábra.

Ha ötszögek és hétszögek is beékelődnek, különböző, például spirál alakú,[4] vagy elágazó[4] szén nanocsövek is keletkezhetnek.

Több nanocső van der Waals erőkkel összekapcsolódva kötegeket hozhat létre: 5. ábra.

A szén nanocsöveket a pásztázó alagútmikroszkóp[1] segítségével láthatjuk is:

Királis nanocső képe
Nanocső-kötegek transzmissziós elektronmikroszkópos képe

Tulajdonságaik és felhasználásuk[szerkesztés]

A szén nanocsövek különleges elektromos, mechanikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek.

Felhasználásuk rendkívül széles körű, a jövő anyagai.

Elektromos tulajdonságok[szerkesztés]

Az elektromos vezetés függ a feltekerési vagy kiralitási vektortól:

Fémes tulajdonságú, karosszék nanocső
Félvezető tulajdonságú, cikk-cakk nanocső

Vezetőképességük 4·109 A/cm2, a rézvezetékének több, mint ezerszerese. A rézvezetékek már 4·106 A/cm2-nél elégnek.

Egyedi nanocsövekből már készítettek olyan áramköröket (tranzisztorokat, logikai kapukat), amelyeket újfajta számítógépek készítéséhez lehet felhasználni. Ily módon 10-15 év múlva, amikor a szilícium áramkörök lehetőségeik határához érkeznek, ezeket a szén nanocsőből készített áramkörök helyettesíthetik.

Mechanikai tulajdonságok[szerkesztés]

Nagyfokú szilárdság, szakítószilárdság, rugalmasság, hajlékonyság, hőstabilitás és igen kis sűrűség jellemző rájuk.

Az egyfalú szén nanocsövek rendelkeznek valamennyi ismert anyag közül a legnagyobb szilárdsággal, a gyémánténál erősebb C–C kötések miatt.

Szakítószilárdságuk igen nagy, 63 GPa. Ez 252-szer nagyobb az ötvözetlen szerkezeti acélénál (250 MPa). 10–15-ször erősebbek a szénszálaknál is. Mivel sűrűségük 1,33–1,40 gramm/cm3, az alumíniumnál 2-szer könnyebbek (sűrűsége 2,7 gramm/cm3). Ezért könnyű és nagyon erős anyagok előállítását teszik lehetővé.

Nagyon rugalmasak, nagy szögben hajlíthatóak károsodás nélkül.

Polivinilalkohol segítségével fonallá fonhatók, a szuper erős szálak hossza akár 100 méter is lehet. Szívósságuk (az a tömegegységre jutó energia, amit az anyag még szakadás vagy törés nélkül képes elnyelni) 570 kJ/kg, ami hússzor nagyobb a golyóálló mellényekben jelenleg használatos kevlár, és háromszor nagyobb a legszívósabb természetes anyag, a pókselyem szívósságánál.

Hőstabilitásuk igen nagy: vákuumban 2800 °C-ig, levegőn 750 °C-ig stabilak.

Nanocsövek felhasználása[szerkesztés]

A világon sok ember és köztük sok tudós elmélkedik arról, hogy miként lehetne több édesvizet nyerni környezetünkből, mivel világszinten elég drasztikus a helyzet az ellátással kapcsolatban. Legkézenfekvőbb ötletnek a tengervíz sótalanítását találják, csak számolni kell azzal, hogy ez a folyamat nagyon költséges és kis hatásfokú.

Feltételezések alapján a világ népessége 2030-ra jóval több édesvizet fog igényelni. Ez egy aggasztó előrejelzés, mert a mostani számítások alapján, jelen pillanatban, több mint egy milliárd ember nem jut elegendő mennyiségű és minőségű ivóvízhez. Példaként megemlítve, Máltában már annyira érezhető ez a helyzet, hogy az éttermekben ivóvíz helyett bort lehet inni nagy mennyiségben és olcsón. Az ivóvízért magasabb árat kell fizetni.

Bizonyos szinten meg lehetne oldani ezt a problémát, ha az ivóvíz előállítását elérhető áron lehetne megvalósítani.

Erre a célra, egy angol kutatócsoport javasolt egy elfogadható nanotechnológiai eljárást amely hatékonyabb megoldást kínálhat. Jason Reese, a glasgow-i Strathclyde Egyetem termodinamikai és folyadékmechanikai professzora úgy véli, hogy szén nanocsövek felhasználásával lehetne orvosolni, hogy a tengervíz sótalanítása elfogadható áron történjen és nagyobb hatásfokú legyen. Reese és kutatócsoportja egyatomnyi vastagságú, hengerekbe göngyölt szén nanocsöveket vizsgált, számítógépes szimulációkkal. Ki akarták deríteni, hogy miként tudnák használni ezeket a csöveket arra, hogy jutányosabban el tudják érni a tengervíz sótalanítását, és ivóvizet tudjanak előállítani.

Ozmózis jelenség

Az eljáráshoz az ozmózis jelenséget használták, ami annyit jelent, hogy a víz egy úgynevezett féligáteresztő membránon keresztül egy alacsonyabb koncentrációjú oldat irányából, egy magasabb koncentrációjú oldat felé áramlik, mindaddig míg a koncentráció a membrán két oldalán ki nem egyenlítődik. A tengervíz sótalanításánál ez a folyamat fordítva megy végbe, tehát a tengervíz irányából kell áramolnia az ivóvíz irányába. Ezt a folyamatot reverz ozmózisnak nevezzük, és a megvalósításához energiát kell befektetni.

Képzeljünk el egy nagy tartályt, amelyet egy féligáteresztő membrán oszt ketté. Az egyik felében tengervizet tárolnak, a másik felében meg ivóvizet. Normális esetben a víz az ivóvíz irányából a tengervíz irányába fog áramlani. Reverz ozmózis esetében nagy nyomást gyakorolnak a tartály tengervízzel töltött oldalára, ami megfordítja ezt a folyamatot és a végén csak a só marad hátra.

Így eltávolítható a víz só- és ásványianyag-tartalma, de ez az eljárás nagyon költséges és kis hatásfokú. Reese és a kutatócsoportja kimutatta azt, hogy a szén nanocsövek segítségével akár a hússzorosára lehetne növelni a jelenleg forgalomban levő, reverz ozmózishoz használt membránok vízáteresztő képességét és ezzel elérve azt, hogy a tengervíz sótalanítása olcsóbb legyen.

Az eljárás megvalósításához még sok gyakorlati dolgot kell kifinomítani, de az vitathatatlan, hogy a szén nanocsövekből készült membránok víztisztító potenciálja nagyon jó és nagy jelentőségű a társadalomra nézve.[forrás?]

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. ^ a b http://www.nanotechnology.hu/magyarul/Nanotechnologia.html - nanométer
  2. http://www.nanotechnology.hu/magyarul/2010/2010_11_technika/index.html - Geim és Novoselov 2004-ben állítottak elő először célzott módon egyetlen atom vastagságú grafént, amiért 2010-ben Fizikai Nobel-díjjal tüntették ki őket.
  3. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/index.html - Nobel-díj
  4. ^ a b http://www.szfki.hu/~kamaras/nanoseminar/MarkGeza/MarkGeza.ppt - Nanocső spirál, Y-szerű elágazás

További információk[szerkesztés]