Hoe atomaire structuur de verschillende eigenschappen van koolstofnanobuisjes beïnvloedt

Koolstofnanobuisjes zijn van groot belang in zowel wetenschappelijk onderzoek als commerciële toepassingen dankzij de unieke eigenschappen van het materiaal. Een nieuw proefschrift aan de Karlstad University onderzoekt hoe de atomaire structuur de verschillende eigenschappen van het materiaal beïnvloedt.

“Momenteel zijn er te weinig meetnormen en geen goed classificatiesysteem voor koolstofnanobuisjes”, zegt Mattias Flygare, recent afgestudeerd doctor in de natuurkunde die net zijn proefschrift publiceerde. Ik heb het effect van kristalliniteit op verschillende eigenschappen bestudeerd, zoals de buigstijfheid en elektrische geleidbaarheid van de buizen.

Het is bekend dat als de buizen een perfecte atomaire structuur hadden, deze eigenschappen uitstekend zouden zijn; in werkelijkheid is dit echter zelden het geval. In plaats daarvan observeren de onderzoekers dat de wanden van de buizen bestaan ​​uit een lappendeken van verschillende grote “korrels” met een goed geordende atomaire structuur. De grootte van deze kristallietkorrels, samen met andere defecten, geeft het materiaal verschillende eigenschappen.

Koolstofnanobuisjes zijn hele dunne en lichte holle buisjes bestaande uit koolstofatomen, met wanden van slechts één atoom dik. De buiswand is als een plaat grafiet die in een cilinder is gerold, met zeshoekige patronen die de plaat vormen. Door hun unieke mechanische, elektrische en thermische eigenschappen bieden koolstofnanobuisjes een groot potentieel voor wetenschappelijk onderzoek en industriële en commerciële toepassingen, bijvoorbeeld in de composietmaterialenindustrie, maar het toepassingsgebied is breder dan dat.

Korrels van perfecte patronen

“Ik heb onderzocht in hoeverre verschillende onregelmatigheden in de atomaire structuur de eigenschappen van het materiaal beïnvloeden”, zegt Mattias Flygare. Om de atomaire structuur te bestuderen, heb ik onze transmissie-elektronenmicroscoop hier aan de Karlstad University gebruikt. De microscoop maakt gebruik van een bundel van elektronen in plaats van zichtbaar licht om het materiaal te analyseren, waardoor het mogelijk is om op nanometerniveau naar de buizen te kijken, dat wil zeggen een miljardste van een meter, wat ongelooflijk klein is. Uit mijn onderzoek blijkt bijvoorbeeld dat de afhankelijkheid van de eigenschappen orde en periodiciteit van de atomen in de buiswanden is niet altijd volledig lineair, en er zijn kritieke punten waar de eigenschappen drastisch kunnen worden verbeterd door simpelweg de kristalliniteit een beetje te verhogen. Dit is een zeer interessant resultaat dat de behoefte aan meer onderzoek en ontwikkeling van karakteriseringsmethoden voor koolstofnanobuisjes, zodat de juiste soort buis voor het juiste doel kan worden gebruikt, en om de productiemethoden voor de buizen.”

Transmissie elektronenmicroscoop

Met deze techniek kun je de resolutiebeperkingen van zichtbaar licht omzeilen, dat is ongeveer één micrometer, en tot ongeveer 100 picometer, dat wil zeggen 0,1 nanometer, wat hoog genoeg is om individuele atomen op te lossen. Binnen de microscoop op de universiteit is het ook mogelijk om de koolstofnanobuisjes te manipuleren met een op maat gemaakte sonde die op nanometerniveau kan worden bestuurd.

“Onze elektronenmicroscoop staat in huis 21, maar is volledig geïsoleerd van trillingen van de rest van het huis”, zegt Mattias Flygare. “Als de microscoop contact zou hebben met het huis, zou er maar één persoon door de gang buiten de kamer lopen om door de trillingen het beeld wazig en onbruikbaar te maken.”

Toepassingsgebieden voor koolstofnanobuisjes

Tegenwoordig zijn er toepassingen voor koolstofnanobuisjes in veel verschillende producten, en onderzoekers blijven creatieve nieuwe manieren onderzoeken om het materiaal te gebruiken. Koolstofnanobuisjes worden aangetroffen in verschillende composietmaterialen, bijvoorbeeld in sportuitrusting zoals tennisrackets en fietsen, vanwege het vermogen om de sterkte te verbeteren en toch het gewicht te verminderen. Dankzij zijn elektrische geleidbaarheid is het ook bruikbaar in allerlei soorten elektronica, en er komen nog meer exotische toepassingen aan de horizon.