Carbon nanotube, ook wel buckytube genoemd, zijn holle buisjes op nanoschaal die zijn opgebouwd uit koolstofatomen. De cilindrische koolstofmoleculen hebben hoge hoogte-breedteverhoudingen (lengte-diameter waarden) typisch boven 103, met diameters van ongeveer 1 nanometer tot tientallen nanometers en lengtes tot millimeters. Deze unieke eendimensionale structuur en de daarmee samenhangende eigenschappen verlenen koolstofnanobuizen een speciaal karakter, waardoor zij een onbeperkt potentieel hebben in toepassingen die verband houden met nanotechnologie. Koolstofnanobuizen behoren tot de familie van de fullereenmoleculen. Hoewel de eerste fullereenmoleculen in 1985 werden ontdekt, werden koolstofnanobuizen pas algemeen bekend toen Sumio Iijima in 1991 in Nature zijn bevindingen over naaldachtige koolstofbuizen bekendmaakte.
© Promotive/Dreamstime.com
Sindsdien zijn er koolstofnanobuisjes met verschillende structuren ontdekt. Op basis van het aantal grafische omhulsels worden ze voornamelijk ingedeeld in enkelwandige (SWNT’s) en meerwandige koolstofnanobuizen (MWNT’s). De door Iijima gerapporteerde koolstofnanobuizen waren MWNT’s die met boogontladingsmethoden waren gesynthetiseerd. Twee jaar later synthetiseerden twee onafhankelijk van elkaar werkende onderzoekers – Iijima en Toshinari Ichihashi, samen met Donald S. Bethune en zijn collega’s bij IBM – SWNTs met behulp van door een overgangsmetaal gekatalyseerde boogontlading.
Een SWNT kan worden omschreven als een lange buis die wordt gevormd door een enkel grafeenblad te wikkelen in een cilinder met een diameter van ongeveer 1 nanometer, waarvan de uiteinden worden afgedekt door fullereen kooien. De fullereenstructuren, met afwisselend structuren van vijf zeshoeken grenzend aan één vijfhoek, vormen het oppervlak met de gewenste kromming om het volume te omsluiten. De zijwanden van koolstofnanobuizen zijn gemaakt van grafeenvellen die bestaan uit aangrenzende zeshoekige cellen. Andere veelhoekige structuren, zoals pentagons en heptagons, vormen defecten van zijwanden. De cilindrische zijwanden kunnen worden geproduceerd uit verschillende walsrichtingen om SWNTs te maken met verschillende structuren en eigenschappen. Vanwege de cilindrische symmetrie zijn er slechts een handvol methoden die effectief zijn in het maken van naadloze cilinders, en deze worden gekenmerkt door de chirale vectoren met gehele indices (n, m). Om de chirale vector te bepalen, worden twee atomen in de grafeenlaag gekozen, waarbij het ene dient als oorsprong van de vector die naar het andere atoom wijst. De grafeenlaag wordt dan zo gerold dat de twee atomen samenvallen. Onder deze omstandigheden vormen de chirale vectoren een vlak loodrecht op de lengterichting van de nanobuisjes en is de lengte van de chirale vectoren gelijk aan de omtrek. Drie verschillende types SWNTs zijn duidelijk gekarakteriseerd, “zigzag” (m = 0), “armchair” (n = m), en “chiraal” genoemd. Deze structurele variaties resulteren in verschillen in elektrisch geleidingsvermogen en mechanische sterkte.
MWNTs zijn concentrisch uitgelijnde SWNT assemblages met verschillende diameters. De afstand tussen aangrenzende shells is ongeveer 0,34 nanometer. MWNTs verschillen van SWNTs niet alleen in hun afmetingen, maar ook in hun overeenkomstige eigenschappen. Verschillende technieken zijn ontwikkeld om koolstof nanotubes te produceren in aanzienlijke hoeveelheid, hoge opbrengst, en zuiverheid, met behoud van een redelijke kostprijs. Tot de goed ontwikkelde technieken behoren boogontlading, laserablatie en chemische dampdepositie (CVD), en de meeste processen vereisen kostbare vacuümomstandigheden.
Arcontlading werd aanvankelijk gebruikt voor de synthese van fullerenen. In een typische experimentele opstelling vindt de reactie plaats in een kamer die gevuld is met inert gas (helium, argon) onder lage druk (50 tot 700 mbar). Twee koolstofstaven worden tegen elkaar geplaatst als elektroden, gescheiden door enkele millimeters, en een gelijkstroom van 50 tot 100 A (aangedreven door een potentiaalverschil van 20 V) genereert een hoge ontladingstemperatuur om de negatieve elektrode te sublimeren, waardoor roet achterblijft waar zich koolstofnanobuisjes bevinden. Deze methode is de meest gebruikelijke manier om koolstofnanobuisjes te synthetiseren en wellicht ook de gemakkelijkste. De kwaliteit van koolstofnanobuisjes hangt af van de uniformiteit van de plasmaboog, katalysatoren en de keuze van vulgassen. Meestal wordt een mengsel van koolstofnanobuisjes geproduceerd; er zijn dus zuiveringsprocessen nodig om de fullerenen, amorfe koolstof en katalysatoren te verwijderen.
Laserablatie werd in 1995 voor het eerst gebruikt om koolstofnanobuisjes te produceren. Een gepulseerde of continue laser wordt gebruikt om een grafiet (of grafietmetaalmengsel) te verdampen in een oven van 1.200 °C, gevuld met inert gas bij een druk van 500 torr. Koolstofdampen koelen snel af tijdens de expansie, en koolstofatomen condenseren snel om buisvormige structuren te vormen met behulp van katalysatordeeltjes. MWNT’s kunnen worden gesynthetiseerd wanneer zuiver grafiet wordt verdampt, en SWNT’s worden gegroeid uit grafiet-transitiemetaalmengsels (kobalt, nikkel, enz.). De methode wordt vooral gebruikt om SWNTs te synthetiseren met hoge selectiviteit en op een diametercontroleerbare manier door de reactietemperatuur aan te passen. De resulterende producten zijn meestal in de vorm van bundels. Laserablatie is de duurste techniek omdat er dure lasers aan te pas moeten komen en een hoog vermogen nodig is.
Chemische dampdepositie (CVD) is de meest veelbelovende manier om koolstofnanobuisjes op industriële schaal te produceren. Bij dit proces wordt een hoge energie (600-900 °C) gebruikt om gasvormige koolstofbronnen, zoals methaan, koolmonoxide en acetyleen, te verstuiven. De resulterende reactieve koolstofatomen diffunderen naar een met een katalysator bekleed substraat en condenseren daar tot koolstofnanobuizen. Goed uitgelijnde koolstof nanobuisjes kunnen worden gesynthetiseerd met precies gecontroleerde morfologie, op voorwaarde dat de juiste reactie-omstandigheden worden gehandhaafd, met inbegrip van de voorbereiding van substraten, selectie van katalysatoren, enz.
In koolstof nanobuisjes zijn nieuwe chemische, elektrische en mechanische eigenschappen ontdekt die in andere materialen afwezig zijn. Zuivere koolstofnanobuizen zijn inert voor de meeste chemicaliën en moeten worden geënt met functionele groepen aan het oppervlak om hun chemische reactiviteit te verhogen en nieuwe eigenschappen toe te voegen. Voor SWNTs is het elektrisch geleidingsvermogen afhankelijk van de chirale vector en onafhankelijk van de lengte, zoals bepaald door de kwantummechanica. Rekening houdend met een chirale vector met indices (n, m), zijn koolstofnanobuizen metallisch wanneer n = m of (n – m) = 3i (i is een geheel getal) en halfgeleidend in andere gevallen. In de lengterichting vertonen koolstofnanobuizen een superieure mechanische sterkte, met de hoogst bekende treksterkte en elasticiteitsmodulus van alle bekende materialen.
Wat de thermische eigenschappen betreft, overtreffen koolstofnanobuizen diamant als de beste thermische geleider. Toepassingen van koolstof nanobuisjes zijn erop gericht gebruik te maken van hun unieke eigenschappen om problemen op nanoschaal op te lossen. Hun grote oppervlak, samen met het unieke vermogen om na oppervlaktemodificatie chemische verbindingen te dragen, biedt koolstofnanobuizen het potentieel om te worden gebruikt als nanoschaal katalysatordragers met hoge katalytische reactiviteit en chemische sensoren. Ze staan bekend als de beste veldemitters vanwege hun scherpe uiteinden, die het elektrische veld gemakkelijk kunnen concentreren, waardoor ze elektronen kunnen uitzenden bij lage spanningen.
Deze eigenschap heeft speciale toepassingen in veldemissie flat-panel displays en cold-cathode elektronenkanonnen die in microscopen worden gebruikt. In de nano-elektronica zijn SWNTs gebruikt om transistors te fabriceren die bij kamertemperatuur kunnen werken en potentiële kandidaten zijn voor apparaten die werken bij tetrahertz (THZ) frequenties. Technische materialen die koolstofnanobuizen als additieven gebruiken, zijn in staat gebleken om kunststofcomposieten te maken met verbeterde elektrische geleiding en mechanische sterkte. Voor biomedische toepassingen zijn koolstofnanobuizen veelbelovend als dragers voor gerichte medicijnafgifte en zenuwcelregeneratie. Hun toekomstige succes in bio-gerelateerde toepassingen is echter sterk afhankelijk van het toxiciteitsonderzoek, dat zich nog in een vroeg stadium bevindt.
Sommige onderzoekers zijn bezorgd geworden over de gezondheidsrisico’s van koolstof nanobuisjes, die volgens laboratoriumonderzoek een gevaar voor de menselijke gezondheid lijken op te leveren dat vergelijkbaar is met asbest. Met name de blootstelling aan koolstofnanobuizen is in verband gebracht met mesothelioom, een vorm van longkanker. Aangenomen wordt dat nanobuisjes bij inademing longweefsels kunnen beschadigen op een wijze die vergelijkbaar is met asbestvezels, wat zorgwekkend is omdat nanobuisjes al in veel gangbare producten worden gebruikt, zoals fietsframes, autocarrosserieën en tennisrackets. Potentiële gezondheidsrisico’s zijn niet alleen relevant voor degenen die bij de fabricage betrokken zijn, maar ook voor het grote publiek, en er is nog maar weinig onderzoek gedaan om te bepalen of er risico’s voor de menselijke gezondheid ontstaan wanneer producten die nanobuizen bevatten worden geplet of op een vuilstortplaats worden verbrand.