1

Uvod Ugljenične nanotube su otkrivene 1991 godine.Otkrio ih je Sumio Iijima. Od otkrića ugljenične nanotube (Carbon NanoTubes) su postale važni sistemi u istraživanju fizičara.Ugljenične nanotube su jedan od izomernih oblika ugljenika sa cilindričnom nanostrukturom. Njihovo ime potiče od njihove veličine,jer je prečnik nanotube reda nekoliko nanometara (aproksimativno 1/50 000 debljina ljudske vlasi) dok im dužina može biti i nekoliko mikrometara. Ovi cilindrični molekuli još uvek imaju neispitane osobine.Ono što otežava proučavanje je to što nanotube imaju veoma velik opseg električkih,termičkih i stukturnih osobina koje su različite kod različitih vrsta nanotuba.Upravo te osobine ih čine potencijalnim kandidatima za primenu u nanotehnologiji,elektronici,optici kao i drugim poljima nauke o materijalima i takođe u oblasti arihitekture.Oni imaju izvanrednu snagu i jedinstvene elektične osobine i vrlo su dobri termički provodnici.Njihova upotreba je dosta široka, međutim, može biti ograničena njihovom potencijalnom toksičnošću.Nanotube imaju sfernu strukturu i pripadaju familiji fulerena. Krajevi nanotube poseduju kape sfernog oblika,slične fulerenima.Nanocevi postoje u dva oblika kao jednoslojne nanocevi (single-walled nanotubes - SWNT) i kao višeslojne nanocevi (multi-walled nanotubes - MWNT).

SWNT MWNT

2

Jednoslojne nanotube Većina jednosložnih nanotuba ima prečnik blizu jednog nanometra,dok njihova dužina može biti nekoliko miliona puta veća. Teoretski minimalna dužina prečnika je oko 0.4 nanometra,dok prosečna dužina prečnika teži da bude oko 1.2 nanometra u zavisnosti načina pravljenja nanotuba. Struktura SWNT se može shvatiti kao kada bismo uzeli jedan sloj atoma grafita,zvanog grafen, i uvili ga u cilindar,tako da na krajevima ima kape (videti sliku 1.),mada se te kape mogu i ukloniti.Kape nastaju “miksovanjem” petougaonika sa šestougaonicima i zato se smatra da su nanotube bliske familiji fulerena. Fuleren se,aproksimativno,može shvatiti kao sferčni molekul,koga čini šezdeset atoma ugljenika,i koji izgleda kao fudbalska lopta.Ime je dobio po arhitekti Buckminster Fuller (slika 2.).

slika 1. slika 2. Način na koji je grafit umotan je predstavljen parom indeksa (n,m) zvanih „chiral” vektor.Celi brojevi n i m označavaju broj jediničnih vektora duž dva pravca rešetke kristala grafita.Ako je m=0 nanotube se nazivaju „zig-zag”,ako je n=m nanotube se nazivaju „armchair” u suprotnom se zovu „chiral”.

3

Armchair (n,n) Zigzag (n,0) Chiral (n,m) SWNT mogu biti provodnici ili poluprovodnici.Ove osobine su uslovile nova istaživanja u želji da se nanotube koriste za izradu električnih kola.Poslednjih nekoliko godina došlo se do značajnog napretka u konstrukciji osnovnih električnih elemenata od tranzistora do nekih jednostavnijih logičkih elemenata. Postoje različiti načini stvaranja SWNT.Detaljniji mehanizam odgovoran za rast nanotuba još uvek nije u potpunosti ispitan i kompjutersko modelovanje igra veoma značajnu ulogu u tom pokušaju.Ambicije proizvođača SWNT su da ostvare što veću kontrolu nad njihovim dimenzijama,tj. njihovim prečnikom i dužinom kao i nad njihovom formom.Obim proizvodnje SWNT je prilično mali i kvalitet varira od proizvođača do proizvođača.

4

Višeslojne nanotube Višeslojne nanotube se sastoje od više uvijenih slojeva grafita.Postoje dva modela koja se koriste za opisivanje njihove strukture.U modelu „Russian Doll” slojevi grafita su poređani u koncentrične cilindre.Na primer (0,8) jednoslojna nanotuba se nalazi u većoj (0,10) jednoslojnoj nanotubi. Drugi model je „Parchment” gde je jednoslojna nanotuba uvijena sama oko sebe. Međusobna udaljenost slojeva u višeslojnim nanotubama je bliska udaljenosti slojeva grafena u grafitu. Kod MWNT odnos dužine i širine je obično oko 100:1 i prečnik im je nekoliko desetina nanometara. Struktura MWNT nije toliko dobro shvaćena zbog njene kompleksnosti i to je ujedno glavni razlog zbog kojeg se ne proizvode u značajnijim količinama iako je njihova proizvodnja jednostavnija u odnosu na SWNT.

MWNT Postoji više egzotičnih oblika i načina slaganja,često sa izmišljenim imenima poput morski jež (sea urchin),ogrlica (necklace)... koji su takođe bili posmatrani pod različitim uslovima nastajanja.Raznovrsnost formi je interesantna ali ima negativnu stranu,jer se,do sada,pokazalo da MWNT imaju više defekata nego SWNT. Sada se dosta razmišlja o većem korišćenju višeslojnih nanotuba u praksi,jer ih je lakše proizvoditi u većim količinama po razumnoj ceni. Posebnu pažnju treba obratiti na dvoslojne nanotube (DWNT) jer su njihova struktura i osobine dosta slične SWNT ali je njihova otpornost na hemijske reakcije značajno poboljšana,što ima velik značaj na mehaničke i električne osobine.

5

Drugi oblici nanotuba Nanohorn-e Ovo su jednoslojni ugljenični konusi.Eksperimentima je potvrñeno da nanohorn-e imaju dobre katalitičke osobine kao i dobre osobine apsorpcije.Odnosno moguće je željenu supstancu „zalepiti” za njih i tada će otpočeti određena hemijska reakcija.Trenutno se radi na mogućnosti njihove primene u elektronici,tačnije na mogućnosti napajanja određenih elektonskih elemenata. Nanotorusi Nanotorus se teoretski može shvatiti kao ugljenična nanotuba savijena u prsten.Osobine poput magnetnog momenta i termičke stabilnosti zavise od prečnika samog torusa i prečnika nanotube. Nanobud Ugljenični nanobud je novi materijal nastao kombinovanjem ugljeničnih nanotuba i fulerena.U ovom materijalu fulereni su povezani kovalentnom vezom sa spoljnim zidovima ugljenične nanotube koja leži ispod njih,Ovaj materijal je „nasledio” dobre osobine i fulerena i ugljenične nanotube.Posebno su poznati kao dobri emiteri polja. U mešovitim materijalima zakačeni fulereni imaju ulogu „sidra” za nanotube koje klize,što poboljšava mehaničke osobine.

nanobud Nanovlakna Ovaj termin se odnosi na šuplja i čvrsta ugljenična vlakna čija je dužina reda nekoliko mikrometara,a širina varira od nekoliko desetina nanometara do oko 200 nanometara.Iako ovi materijali nemaju cilindričnu strukturu jednoslojnih i višeslojnih nanotuba,već se sastoje od mešavine formi ugljenika (slojeva grafita spojenih pod različitim uglovima) ipak se nazivaju nanotubama.Zbog ovakve strukture ne ispoljavaju snagu kakvu imaju prave nanotube,ali su ipak dosta snažni materijali.

6

Osobine Snaga Ugljenične nanotube su najjači i najčvršći materijal otkriven do sada.Ove osobine su rezultat kovalentnih sp2 veza formiranih između ugljenikovih atoma.Odnosno svaki atom je spojen sa još tri atoma,kao u grafitu.Dobro je poznato da se grafit transformiše u dijamant na visokoj temperaturi i pri visokom pristisku,a dijamant je poznat kao jedan od najčvršćih materijala. 2000. godine testirana je snaga MWNT i eksperiment je pokazao da imaju snagu od 63GPa.Radi ilustracije to znači da težinu od 6300 kg može da izdrži kabal poprečnog preseka od 1mm2.Nanotube pod pritiskom nisu tako jake,zbog njihove šupljikave strukture i odnosa između prečnika i dužine.

Poreñenje nekih mehaničkih osobina

Izduženje pri

Jangov modul Jačina na

Materijal (TPa) pritisak (GPa) kidanju (%)

~1 (from 1 to

SWNT 5) 13–53E 16

Armchair SWNT 0.94T 126.2T 23.1

Zigzag SWNT 0.94T 94.5T 15.6–17.5

Chiral SWNT 0.92

MWNT 0.8–0.9E 11–150E

Čelik ~0.2 ~0.65–3 15–50

Kevlar ~0.15 ~3.5 ~2

KevlarT 0.25 29.6

EEksperimentalni rezultati; TTeoretsko predviñanje

Eksperimentima je pokazano da su ugljenične nanotube mekše u radijalnom pravcu nego duž ose. Elekrične Zbog simetrije i jedinstvene elektronske strukture grafena,struktura nanotube snažno utiče na njene električne osobine. Neka je dat chiral vektor (n,m).Ukoliko je n = m nanotuba je metal,ako je n-m umnožak broja 3 nanotuba je poluprovodnik sa malim propusnim opsegom,inače je poluprovodnik. U teoriji,metalne nanotube mogu da ponesu struju gustine od 4x109 A/cm2 što je više od 1000 puta veće od bakra.

7

Termičke Sve nanotube su dobri provodnici toplote duž tube,a dobri izolatori bočno.Merenjima je pokazano da je provodnost SWNT na sobnoj temperaturi oko 3500 W·m−1·K−1,dok je za bakar,koji je poznat po dobroj toplotnoj provodnosti oko 385 W·m−1·K−1.Temperaturna stabilnost ugljeničnih nanotuba je oko 2800°C u vakuumu i oko 750°C u vazduhu. Defekti Kod svih materijala,postojanje kristalografskih defekata utiče na njegove osobine.Defekti mogu biti u formi vakancija atoma.Velik broj takvih defekata može uticfati na smanjenje jačine na pritisak i do 85%.Druga forma defekata koji se javljaju je Stone Wale-ov defekt,koji stvara par pentagon-heptagon preuređivanjem veza.Zbog veoma sitne strukture jačina na pritisak kod nanotuba zavisi od njenih najslabijih segmenata. Kristalografski defekti takođe utiču i na električne osobine.Odnosno dolazi do smanjenja provodnosti kroz deo u kom je došlo do defekta.Defekti kod armchair tipa mogu prouzrokovati da deo obuhvaćen defektom postane poluprovodnički,dok vakancije utiču na magnetne osobine. Pored toga defekti utiču i na termičke osobine i dovode do rasejanja fonona,što dovodi do redukcije provodnosti. Toksičnost Preliminarni rezultati ispitivanja toksičnosti su pokazala poteškoće u proceni toksičnosti ovih heterogenih materijala.Pod određenim uslovima nanotube mogu probiti barijere membrane,što nagoveštava da ukoliko bi ovi materijali dospeli do organa mogli bi da im naštete i dovedu do upale. Izlaganje može dovesti do mesothelioma - vrste raka koja napada pluća. Iako su dalja istraživanja neophodna,dosadašnji rezultati jasno pokazuju da pod određenim uslovima,posebno onim koji uključuju dugotrajno izlaganje,mogu predstavljati ozbiljnu pretnju po ljudsko zdravlje.

8

Proizvodnja Razvijene su različite tehnologije za proizvođenje nanotuba u značajnijim količinama.U njih spadaju lučno pražnjenje (arc discharge),lasersko uklapanje (laser ablation) i hemijsko isparavanje (CVD chemical vapor deposition).Većina ovih procesa se odvija u vakuumu ili u gasovima.CVD rast nanotuba se može odvijati kako u vakuumu tako i pri atmosferskom pritisku. Metod lučnog pražnjenja daje nanotube najboljeg kvaliteta.Kod ove metode se pusti stuja od oko 50A između dve elektrode od grafita koje se nalaze u helijumu.Ovo izaziva isparavanje grafita.Jedan deo se kondenzuje na zidovima suda,jedan deo na katodi.Taj talog na katodi ustvari predstavlja ugljeničnu nanotubu.Jednoslojne nanotube se dobijaju kada se Co,Ni ili neki drugi metal doda na anodu. Kod metoda hemijskog isparavanja se gas koji sadrži ugljenik (na primer hidrocarbon) propusti kroz katalizator.Katalizator sadrži nano-čestice metala,obično Fe,Co ili Ni.Ove čestice ubrzavaju raspadanje molekula gasa u ugljenik i tuba onda počinje da raste sa česticama metala na vrhu.1996.godine je pokazano da se jednoslojne nanotube mogu proizvoditi i ovom metodom.Ovako proizvedene nanotube su lošijeg kvaliteta u odnosu na one proizvedene metodom lučnog pražnjenja,mada se poslednjih godina došlo do značajnog napretka. Kod metoda laserskog uklapanja se pomoću snažnog lasera izaziva isparavanje.Ovaj metod se može koristiti za proizvodnju većih količina jednoslojnih nanotuba. Primena Jačina i fleksibilnosti nanotuba čini ih potencijalnim kandidatima u kontrolsanju drugih nanostruktura,tako da imaju veoma značajnu ulogu u nanotehnologiji. Njihove superiorne mehaničke osobine su uslovile njihovu upotrebu u proizvodnji odeće,sportske opreme (jači i lakši teniski reketi,loptice i palice za golf,delovi bicikla,bejzbol palice...),borbenih prsluka,betona,mostova – gde mogu da zamene čelik. Tranzistori bazirani na nanotubama mogu da rade na sobnim temperaturama.Ipak velika prepreka je to što se nanotube ne proizvode u velikim količinama. Prvo integrisano memorijsko kolo je napravljeno 2004.godine. Nanotube se mogu koristiti za termičko regulisanje u elektronskim kolima.Sloj nanotube debljine 1mm je korišćen kao specijalni materijal za fabričke hladnjake.Ovi materijali imaju veoma malu gustinu,približno 20 puta manju težinu nego bakar dok su im rashladne osobine skoro iste. Još jedna od primena je u medicini.Odnosno nanotube se koriste da isporuče lek u odreñeni deo tela.Ovo je posebno značajno u tretiranju ćelija raka.Lek se stavi u nanotubu i zatim pusti da nanotuba dođe do određenog dela tela gde će se pomoću hemijskog okidača ispustiti lek.