Nanotrubky. Seminární práce. Autor: Jiří Gabryš Datum: Obor: Nové technické materiály

Transkript

1 Nanotrubky Seminární práce Autor: Jiří Gabryš Datum: Obor: Nové technické materiály Skupina: HM371

2 Obsah 1 Úvod Historie Fullereny Od fullerenů k nanotrubkám Vlastnosti a struktura Typy SWNT Chemická reaktivita Elektrická vodivost Optická aktivita Mechanická pevnost Syntéza Mechanismus růstu Obloukový výboj Laserová ablace CVD Chemical vapour deposition Příklady použití Vodivé plasty Úložiště energie Molekulární elektronika Tepelné materiály Kompozitní materiály Vlákna a tkaniny Superpevná fólie z nanotrubek Nosiče katalyzátoru Závěr Literatura...19

3 1 Úvod Cílem této práce je nahlédnout do fascinujícího světa nanomateriálů na bázi uhlíku a poskytnout základní představu o možných aplikacích uhlíkových nanotrubek v budoucnosti. Mnohe informace zde uvedené mohou být neúplné či nepřesné, což je především důsledkem relativní mladosti popisovaných polymerů. Současná věda se teprve snaží poznávat všechny vlastnosti a strukturni zakonistosti uhlíkových nanotrubek a bude trvat ještě dlouho než je budeme moci popsat stejně jako jiné materiály. Použité zdroje pocházejí z internetu, přičemž většina z nich je v angličtině. I proto se v dalším textu vyskytují četné zkratky anglického původu a anglické výrazy pro které by se jen těžko hledaly české ekvivalenty. 2 Historie Když byly roku 1985 objeveny fullereny, nikdo neočekával jaký boom tento objev způsobí. Tato třetí allotropní modifikace uhlíku, tvořená šedesáti atomy uhlíku uspořadanými do tvaru podobného fotbalovému míči, způsobila revoluci v elementárni chemii. 2.1 Fullereny Vznik chemie fullerenů spadá do počátku 80. let minulého století, kdy se prof. H. Kroto nechal inspirovat výzkumem složení hvězdné atmosféry a mezihvězdného prachu. Jeho cílem byla snaha o reprodukování podmínek, za kterých vznikají tzv. kyanopolyyny, jejichž existence v kosmu byla spektrálně potvrzena. Spojil se tedy se skupinou, která byla přístrojově vybavena pro výzkum kovových klastrů (vznikajících odpařováním kovů) pomocí hmotnostní spektrometrie (TOF MS), a společně aplikovali tuto metodiku na grafitový substrát. Výsledkem bylo nečekané poznání, že laserovým odpařováním grafitu vznikají uhlíkové klastry se sudým počtem atomů, přičemž mezi nimi výrazně vyčnívají maxima odpovídající složení klastrů C 60 a C 70. Za určitých experimentálních podmínek (velmi důležitý faktor je doba ekvilibrace takto vzniklé odpařené směsi pro dosažení termodynamického minima) je převaha těchto maxim téměř absolutní, což ukazuje na neobyčejnou stálost zmíněných klastrů. 1

4 Studiem různých molekulových modelů dospěli autoři k závěru, že nejintenzivnější signál m/e 720 může odpovídat jediné molekule: uzavřené uhlíkové struktuře, složené z pěti- a šestiúhelníků, podobné fotbalovému míči. Protože tato struktura ikosaedru připomínala zajímavé konstrukce projektované architektem R. Buckminster Fullerenem, dostala nová molekula název buckminsterfulleren a objev byl publikován v prestižním časopise Nature. a) Molekula fullerenu C60; b) Budova projektovaná R. B. Fullerem v Montrealu Fullereny jsou tedy třetí allotropickou modifikací uhlíku (vedle grafitu a diamantu), přičemž jde o kondenzované polycyklické klecovité struktury, složené ze sudého počtu uhlíkových atomů, poskládaných přednostně z pěti- a šestiúhelníků. Dnes je známo mnoho takovýchto systémů. Studium jejich struktury vedlo k formulování pravidla o isolovaných pětiúhelnících (Isolated Pentagons Rule). Toto pravidlo říká, že stabilní jsou pouze ty fullereny, u nichž se ve struktuře nenachází 2 pětiúhelníky vedle sebe. Zároveň předpokládá minimum násobných vazeb v těchto pětiúhelnících. Nejmenším systémem splňujícím IPR je právě ikosahedrální struktura C Od fullerenů k nanotrubkám Fullereny nejsou pouze dvacetistěny C 60.Existují i jiné fullereny (C 70, C 84,...), jejichž tvar je více oblý a připomíná spíše ragbyový míč. Společným znakem všech fullerenu, je tedy hexagonální uhlíková síť, podobná grafitové a přítomnost přesně dvanácti pětiúhelníkových ploch.jednotlivé fullereny se tedy liší pouze množstvím šestiúhelníkových ploch na povrchu (C 60 jich má 20). V roce 1990 odvodil Dr. Richard Smalley, že z principu je možné vytvořit válcové fullereny, uzavřené na obou koncích. Příkladem by mohly byt dvě polokoule C 60 spojené přímým válcem složeným pouze z šestiúhelníkových jednotek. 2

5 O rok později pozoroval Sumio Iijima z NEC vícestěnné nanotrubky (MWNT Multi Walled NanoTubes) vzniklé obloukovým výbojem při výrobě fullerenu. Za další dva roky objevili 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. Vícestěnná uhlíkova nanotrubka (MWNT) Ve skutečnosti však byly nanotrubky objeveny již o třicet let dříve, ale nikdo jim tehdy nevěnoval velkou pozornost. Koncem 50.let dvacátého století pozoroval Roger Bacon z Union Carbide nový druh uhlíkového vlákna při studiu uhlíku blízko jeho trojného bodu. Byly to přímé, duté trubky, jejichž složení se podobalo složení grafitových vrstev. Zhruba o dvacet let později pozoroval Morinobu Endo tyto trubky také, tentokrát jako produkt procesu v plynné fázi. Pozoroval dokonce i několik trubek tvořených jen jednou vrstvou stočeného grafitu. Jednostěnná uhliková nanotrubka (SWNT) 3

6 Teprve objev fullerenů a zákonitostí v takto velkých molekulách z uhlíku změnil pohled na tento materiál. Nanotrubky byly 'fullerenizovány', se všim co k tomu patří. Dnes již víme, že nanotrubky jsou vynikajícím materiálem s mnoha dobrými vlastnostmi. Mikroskopické vlasnosti materialu, ale nevypovídají o skutečných, makroskopických, vlastnostech vyrobku z něj. Různé strukturní poruchy v materiálu jej degradují do té míry, že výsledná makroskopicka látka vykazuje pouze maly zlomek vypočtených hodnot materiálu s dokonalou strukturou. Napřiklad mikrotrhlina v ocelovém drátu způsobí katastrofické selhání materiálu už při zatížení 1% teoreticky spočítané trhací síly. Dnes již víme, že vícestěnné nanotrubky jsou vždy produkovány s četnými strukturálními defekty, přesto jsou v porovnání s příbuznými uhlíkovými vlákny (s průměrem 5-20 mikronů) lepším materialem. Oproti tomu jednostěnné nanotrubky jsou fullereny a tudíž molekuly. Dokonalé, duté molekuly tvořené pouze uhlíkem v hexagonální síti tvořící dutý válec. Molekula je bezešvá, s otevřeným nebo uzavřeným koncem. Průměr SWNT je 0,7 až 10 nm (vetšinou okolo 2 nm), což je méně než je tloušťka lidského vlasu. Délky nanotrubek bývají zhruba stokrát delší než jejich průměr. Právě molekulární charakter SWNT činí tento materiál středem zájmu mnoha vědců. V molekule je každý atom na správném místě, což je v hlubokém protikladu s jejich vetšími a poruchovými přibuznými. Molekula je kompletní, stabilní a většinou spokojená se svým stavem. Pokud se naskytne přiležitost ke změně, k chemické reakci s jinou látkou, je zde vždy bariéra, která musí být nejprve překonána. To neplatí například u kovů. Kupa kovu do které přidáme další kus kovu (například v tavenině) přijme přidané množství právě proto, že nemá molekulární celistvost a invarianci. Molekula má spolehlivě předvídatelné chemické vlasnosti. Žádné dva kusy kovu nikdy nebudou stejné, stejně tak jako žádné dvě sněhové vločky nebudou stejné. Vločky nejsou molekuly. Molekulární invariance má pro vlastnosti materiálu hluboky význam. Ať jsou vlastnosti molekul jakékoliv, nejsou zde žádné defekty, které by působily jejich degradaci. Reálny materiál je takovy jak řikají teoretické výpočty. 4

7 3 Vlastnosti a struktura Uhlíkové nanotrubky jsou, jednoduše řečeno, makromolekuly uhlíku podobné jednotlivým vrstvám grafitu.stočeným do válce. Grafitová vrstva vypadá jako mozaika z šestiúhelníkových prstenců uhlíku. V tuze jsou jednotlivé vrstvy naskládány na sebe, takže po sobe kloužou a snadno se oddělují. Pokud ale tyto vrstvy svineme, tak se stávají velmi pevnými a ve skutečnosti mohou být i dva milimetry dlouhé (při průměru 0,7-10 nm) a 100x pevnější než ocel. Nanotrubky jsou pevné, pružné a tepelně stabilní. V závislosti na jejich zkroucení mohou být polovodivé nebo stejně vodivé jako kov. 3.1 Typy SWNT Jednostěnné nanotrubky se děli na tři typy podle tzv. chirálního vektoru (n,m), kde n a m jsou čísla ve vektorové rovnici R = na 1 + ma 2. Chirální vektor se určuje z následujícího diagramu: Zkoumanou SWNT rozřízneme a rozvineme do rovinné plochy. Dvě modré čáry pak budou značit přímku, rovnoběžnou s osou trubky, po které jsme vedli řez. Neboli, pokud vyřízneme obdélník omezený modrými čarami a spojíme jej do válce tak, aby se obě modré čáry překrývaly, pak dostaneme původní trubku. 5

8 Pak zvolíme bod A na levé modré čáře tak, že bude ležet ve vrcholu jednoho z šestiúhelníků. Poté vyneseme tzv. armchair line, čáru která půlí každý šestiúuelník, kterým prochází, na dvě stejní části. Bod B je pak první nejbližší vrchol šestiúhelníku na druhé modré čáře. Spojnice R bodu A a B je hledaný chirální vektor. Pokud chirální vektor leží v armchair line pak jde o typ armchair. Je-li tento uhel 30 jde o tzv. zigzag SWNT. Pokud je úhel jiný, jedná se o chirálni SWNT. Typy (n,0) a (n,n) SWNT Vektor a 1 leží na tzv. zigzag čáře. Vektor a 2 má jinou velikost než a 1, ale jeho směr je osově souměrný se směrem a 1 (osou souměrnosti je armchair line ). Hodnoty n a m určují chiralitu či ztočení SWNT. Chiralita pak ovlivňuje vodivost, hustotu, mřižkovou strukturu a další vlastnosti nanotrubky. Je-li rozdíl (n m) nulový nebo dělitelný třemi je SWNT považována za kovově vodivou, jinak se chová jako polovodič. Průměr nanotrubky lze vypočítat ze složek chirálního vektoru takto: d = (n 2 + m 2 + mn) 0.5 nm 6

9 3.2 Chemická reaktivita Chemická reaktivita uhlíkové nanotrubky je díky zakřivení větší v porovnání s grafitovou vrstvou a ma přimou spojitost se záměnami pi-orbitalů způsobenými zakřivením. Je tedy zřejmé, že je nutné rozlišovat mezi bočními stěnami a konci nanotrubky. Z těchto důvodů jsou reaktivnější nanotrubky kratších délek. Ukazuje se, že jsou možné kovalentní vazby jak na stěnách tak na koncích nanotrubek. Tímto způsobem může být ovlivňována smáčivost v různých rozpouštědlech. Přímé zkoumání chemické reaktivity je velice obtížné, protože vzorky nanotrubek s dostatečnou čistotou nejsou v současné době dostupné. 3.3 Elektrická vodivost V závislosti na chirálnim vektoru mohou být nanotrubky s malým průměrem buď kovově vodivé nebo polovodivé. Rozdíly ve vodivosti jsou způsobeny molekulární strukturou, která ovlivňuje natočení vazeb a tedy vodivé pásy a potenciální bariéry. Bylo zjištěno, že kovově vodivé jsou takové nanotrubky pro které platí, že rozdíl (n-m) je dělitelný třemi nebo je nulový. Bylo dokázáno, že elektrický odpor nanotrubek nezávisí na jejich délce. 3.4 Optická aktivita Teoretické studie odhalily, že optická aktivita chirálních nanotrubek se s rostouci velikostí zmenšuje. Lze tedy předpokládat, že i další fyzikální vlastnosti nanotrubek jsou těmito parametry ovlivňovány také. 3.5 Mechanická pevnost Uhlikové nanotrubky mají velmi velký Youngův modul ve směru své osy. Celá nanotrubka je diky své délce velmi flexibilní, což umožňuje využité v kompozitních materiálech, které využiji anizotropní vlastnosti nanotrubek. 7

10 4 Syntéza Uhlíkové nanotrubky jsou v zásadě připravovány třemi hlavnimi technikami: obloukovým výbojem (arc discharge), laserovou ablací (laser ablation) a metodou CVD (Chemical Vapour Deposition). Při použití obloukového výboje jsou výbojem mezi dvěma uhlíkovámi elektrodami vytvořeny páry uhlíku, ze kterých se za přitomnosti katalyzátoru poskládají výsledné nanotrubky. Při použití laserové ablace, dopadá na uhlík nasycený reakčním plynem (methanem nebo oxidem uhličitým) laserovy paprsek o vysoké energii. Produktem je malé množství čistých nanotrubek. Obloukový výboj oproti tomu produkuje větší množství ne příliš čistého materiálu. Při použití CVD vzniká velké množství MWNT nebo SWNT nizké kvality a s velkým průměrem. Oproti obloukovému výboji a laserove ablaci má metoda CVD tu výhodu, že ji lze snadno rozšířit pro průmyslové využití. 4.1 Mechanismus růstu Způsob jakým se vytvářejí nanotrubky není přesně znám a je stále předmětem zkoumání. Při syntéze totiž může být využíváno více než jednoho z možných mechanismů. Mechanismus růstu lze rozdělit na tři fáze. Nejprve se na povrch metalického katalyzátoru naváže prekurzor C 2. Poté začne z tohoto metastabilního karbidu vyrůstat tyčovitý produkt, jehož stěna nakonec projde pomalou grafitizací, kterou se vytvoří struktura nanotrubky. Tento mechanismus je založený na pozorování in situ pomocí TEM. 8

11 Přesné reakční podmínky závisí na použité metodě a budou přiblíženy níže. Růst nanotrubky se ovšem zdá být stejný pro každou ze zmíněných technik syntézy Obloukový výboj Tato metoda byla původně používána k syntéze fullerenů C 60 a je snad nejběžnějším a nejsnazším postupem výroby uhlíkových nanotrubek. Produktem této metody je směs různých komponentů, kterou je potřeba separovat od sazí a kovových katalyzátorů obsažených v hrubém produktu. Nanotrubky jsou tvořeny pomocí obloukového odpařování dvou uhlíkových elektrod umístěných ve vzdálenosti cca 1 mm od sebe v reaktoru naplněném inertním plynem (argon, helium) o nízkém tlaku (50 až 700 mbar). Nedávné výzkumy prokázaly, že je možné vyrobit nanotrubky obloukovým výbojem také v tekutém dusíku. Stejnosměrný proud 50 až 100 A vytváří pod napětim 20 V vysokoteplotní výboj mezi elektrodami. Výboj odpařuje uhlík z jedné elektrody a vytváří malé uhlíkové trubičky na druhé elektrodě. Výtěžek procesu závisí na rovnoměrnosti plazmového oblouku a teplotě produktů na uhlíkové elektrodě. Výzkumy prokazují, že statistické rozložení průměrů výsledných nanotrubek je závislé na směsi helia a argonu. Tyto směsi mají různé difúzní koeficienty a tepelné vodivosti, což ovlivňuje rychlost mísení a ochlazování molekul katalyzátoru a uhlíku. Což znamená, že uhlík tvoří na kovových částečkách jednostěnné nanotrubky různych velikostí v závislosti na míře ochlazování v plazmě. Teplota a hustota uhlíku a katalyzátoru tedy ovlivnují distribuci průměrů nanotrubek. V zavislosti na použité technice lze selektivně vyrábět buď SWNT nebo MWNT jak ukazuje obrázek. 9

12 10

13 4.1.2 Laserová ablace Tato metoda používá přerušovaný nebo kontinuální laserový paprsek k odpařování grafitového přípravku v peci při teplotě 1200 C. Hlavní rozdíl mezi pulsnim a kontinuálnim paprskem je v tom, že pulsní vyžaduje mnohem větší světelnou hustotu (100kW/cm 2 proti 12 kw/cm 2 pro kontinuální způsob). Pec je naplněna heliem či argonem kvůli udržování tlaku na 500 Torrech. Z povrchu se odpařují velmi horké výpary, které v rychlém sledu expandují a při chladnutí kondenzují a tvoří větší uhlíková uskupení, pravděpodobně i s fullereny. Pomaleji kondenzují katalyzátory, které se váží na uhlíkové struktury a brání jejich uzavírání do klecí. Katalyzátory mohou dokonce takto uzavřené klecovité struktury otevírat, když se na ně navaží. Z těchto základních struktur pak vyrustají jednostěnné nanotrubky dokud nejsou částečky katalyzátoru příliš velké, nebo dokud okolí nezchladne natolik, že se uhlik nedostane na povrch katalyzátoru. Také je možné, že se katalyzátor pokryje takovým množstvím uhlíku, že jej již nemůže více přijmout, což zastaví růst nanotrubek. Takto vzniklé nanotrubky jsou jsou spolu svázané van der Waalsovymi silami. Proces laserové ablace je velmi podobný procesu obloukového výboje. Proto je potřeba stejné atmosféry a směsi katalyzátorů. To muže být způsobeno tím, že jsou zapotřebí stejné reakční podmínky a reakce se pravděpodobně dějí stejným mechanismem. 11

14 4.1.3 CVD Chemical vapour deposition Syntéza pomocí CVD je specifická tím, že zdrojem uhliku je plynná fáze v reaktoru a zdrojem energrie je například plazma či odporově zahřívaná spirála. Zdrojem uhlíku je běžně metan, aceton či oxid uhelnatý. Zdroj energie je v procesu používán k rozštěpení molekul na reaktivní atomární uhlík, který poté difunduje na vyhřívaný substrát pokrytý vrstvou katalyzátoru (většinou je katalyzátorem Ni, Fe či Co), na který se váže. Uhlikové nanotrubky se zde budou tvořit jen pokud zůstanou zachovány správné parametry. Typ nanotrubek, jejich orientaci a průměr lze kontrolovat vhodnou volbou katalyzátoru a reakčních podmínek. Celá syntéza probíhá ve dvou krocích. Nejprve se připraví katalyzátor a následně se syntetizují nanotrubky. Katalyzátor se většinou nanáší na substrat pokovováním a následným chemickým leptáním či žíháním, které rozdělí katalyzátor na menší částečky. Teploty při syntézi nanotrubek metodou CVD jsou v rozmezí C, výtěžek je běžně kolem 30%. 5 Příklady použití Specifické vlastnosti uhlíku spolu s molekulární dokonalostí jednostěnných nanotrubek dávají tomuto materiálu vyjímečně dobré vlastnosti jako je elektrická a tepelná vodivost, pevnost, tvrdost a odolnost. Žádný jiný prvek v periodické tabulce se sám na sebe neváže v rozšířené síti silou vazby uhlík-uhlík. Delokalizovaný pi-elektron, který je poskytován každým atomem se může pohybovat po celé struktuře, což činí SWNT první molekulou s kovovým typem elektrické vodivosti. Vysoké frekvence vazeb uhlík-uhlík dávají nanotrubkám vyšší tepelnou vodivost než má diamant. Protože uhlíkové nanotrubky jsou polymery uhlíku, může na ně být použita většina postupů chemie uhlíku, což otvírá celou řadu možností jak modifikovat jejich strukturu a vlastnosti jako je napřiklad smáčivost. U většiny materiálů jsou skutečně pozorované vlastnosti pevnost, elektrická vodivost atp. - degradovány přítomností strukturálních poruch. Nicméně SWNT dosahují hodnot velmi blízkých jejich teoretickým limitům, právě díky jejich molekulární dokonalosti. 5.1 Vodivé plasty Během posledního půlstoletí se plastovými materiály snažíme nahradit materiály kovové. Pokud jde o mechanické vlastnosti, tak za tu dobu plasty urazily dlouho cestu, ale tam, kde je potřeba elektricke vodivosti, jsou stále nepoužitelné. Plasty jsou dobře známé izolanty. 12

15 Tuto nevýhodu je možné odstranit použitím vodivých plnidel jako jsou saze nebo uhlíkové vlákno (takové jaké se používá k výrobě tenisových raket či golfových holí). Potřebný obsah plnidel je většinou vysoký, což má za následek produkty s velkou hmotností a s degradovanými vlastnostmi. Je dobře známo, že čím vyšší je poměr mezi průměrem a délkou částice plnidla tím méně je ho třeba pro získání určité úrovně vodivosti. Nanotrubky jsou v tomto ohledu ideální, protože mají mnohem větší poměr délka:šířka než jakékoliv jiné uhlíkové vlákno. Jejich přirozená tendence ke tvoření provazců navíc pomáhá k tvorbě velmi dlouhých vodivých cest už při velmi nízkých objemech plnidla. To lze dobře využít v materiálech pro stínění EMI/RFI, rozptyl elektrostatického náboje (ESD) a pro různé antistatické (i průhledné) nátěry a materiály absorbující radarové vysílání. 5.2 Úložiště energie Vlastnosti jakými disponují jednovrstvé nanotrubky jsou potřebné v materiálech pro elektrody v bateriích a v kondenzátorech. Velky povrch (okolo 1000 m 2 /g), dobrá elektrická vodivost a především jejich lineární rozměry činí povrch SWNT velmi přístupným pro elektrolyty. Výzkum ukázal, že jednovrstvé nanotrubky mají největší vratnou kapacitu ze všech uhlíkových materiálů použitelných v Li-Ion bateriich [B. Gao, Chem. Phys. Lett. 327, 69 (2000)]. Nanotrubky najdou také uplatnění v různých částech palivových článků. Mají mnoho vlastností jako jsou velký povrch a dobrá tepelná vodivost, což je činí vhodnými pro použití jako nosiče katalyzátoru v palivovych článcich na bázi PEM. Jejich velká pevnost a odolnost i při malé hmotnosti poskytuje uplatnění v kompozitních materiálech pro konstrukci palivových článku pro dopravu, kde je výdrž extrémně důležitá. 5.3 Molekulární elektronika Klíčovou součástí nanotechnologie je stavba elektrických obvodů z elementárních částic, z molekul. V každém elektrickém obvodu, a především pokud jsou jeho rozměry v řádu nanometrů, jsou důležité spojení mezi přepínači a jinými aktivními prvky obvodu. Elektrická vodivost a geometrie nanotrubek je činí ideálními materiály pro vodiče v molekulární elektronice. 13

16 Je dokonce možné vyrobit tranzistory z nanotrubek tak, že se během výroby metodou CVD do směsi přidají katalytické částice železa modifikované titanem. V míste, kde se tato částice přichytí z ní začnou růst další dvě nanotrubky, čímž vznikne produkt tvaru Y. JFET tranzistor Celý proces je víceméně náhodný a jen některé ze vzniklých trubek mají vhodný tvar. Nanotrubkový tranzistor je typu JFET, který má tu výhodu, že nepotřebuje ke své funkci žádný vstupní proud, ale na druhou stranu ma malé zesílení a je citlivý na šum. 5.4 Tepelné materiály Rekordni anizotropní tepelná vodivost nanotrubek je přímo předurčuje pro použití tam kde je potřeba převést teplo z jednoho místa na druhé. Například ve výpočetní technice, kde teploty nechlazených procesorů snadno překračují 100 C. Technologie Carbon Nanotech Institute pro výrobu zarovnaných struktur a pásů nanotrubek [D.Walters, et al., Chem. Phys. Lett. 338, 14 (2001)] je velkým krokem kupředu k velmi úcinným tepelným vodičům. Kompozity s přídavkem SWNT vykazuji také dramatický nárůst tepelné vodivosti již při malých objemech plniva. 5.5 Kompozitní materiály Nanotrubky jsou díky své tvrdosti ideální ve vysokopevnostních a lehkých kompozitech. Jednostěnné nanotrubky mohou mít teoreticky Youngův modul až 1 TPa. Vícestěnné nanotrbuky jsou méně pevné, protože jednotlivé válce se vůči sobě mohou pohybovat. Stejně tak jsou provazce SWNT slabší než jednotlivé nanotrubky, protože jsou pohromadě drženy pouze van der Waalsovými silami a je tedy možné z jejich konců vytáhnout jednotlivé nanotrubky. Toto se děje již při napětí, které je mnohem menší než je pevnost v tahu jednotlivých nanotrubek. 14

17 Jednou z nejdůležitějších aplikací nanotrubek bude jejich použití jako výstuže v kompozitních materiálech. Bohužel mnoho experimentů neprokázalo, že nanotrubky jsou lepším zpevňovadlem než tradiční uhliková vlákna. Hlavním problémem je tvorba dobrého rozhraní mezi nanotrubkami a polymerní síti, protože nanotrubky se vyznačují malým průměrem, který je téměř stejný jako průměr polymerních řetězců. Dalším problémem je tvorba svazků nanotrubek které mají jiné vlastnosti při zatížení než by měly nanotrubky samostatně. Limitujícím faktorem je zde posun válcu v MWNT a smyk nanotrubek v provazcích SWNT. Řešením tohoto problému by bylo rozdělení svazků SWNT a zabránění jejich opětovnému tvoření. Hlavní výhodou nanotrubek jako plnidla polymerních kompozitů je skutečnost, že nanotrubkové vystužení zvýší odolnost kompozitu tím, že absorbuje energii svým flexibilním elastickým chováním. Další výhody jako nízká hustota a dobrá elektrická vodivost přidávají další vlastnosti výslednému materiálu. Dalším využitím je plnění fotoaktivních polymerů nanotrubkami. PPV (Poly-pphenylenevinylene) plněný směsí MWNT a SWNT je kompozitem využívaným k mnoha experimentům. I malý přídavek plnidla velmi zvyšuje jeho elektrickou vodivost a jen málo snižuje jeho fotoluminiscenci a elektroluminiscenci. Navíc je takovýto materiál robustnější a odolnější. 5.6 Vlákna a tkaniny Vlákna tažená pouze z jednostěnných nanotrubek procházejí bouřlivým vývojem stejně jako kompozitní vlákna s přídavkem nanotrubek. Tato supersilná vlákna mohou najít uplatnění ve vojenské technice jako osobní i vozidlove pancéřování, nebo jako kabely pro přenos elektřiny. 15

18 5.6.1 Superpevná fólie z nanotrubek Vždy, když se někdo snažil vyrobit fólii z nanotrubek, tak je rozpustil v nějaké tekutině, tu rozlil do velké plochy, nechal schnout a čekal, co z toho bude. Obvykle z toho nic nebylo, protože vzniklá "fólie" nebyla příliš pevná. Tentokrát to vědci udělali jinak. Nechali vyrůst les nanotrubek usazováním par (CVD). Vyrobili převážně vícestěnné nanotrubky dlouhé 70 až 300 μm o průměru kolem 10 nm. Z takového koberce nanotrubek začali vytahovat "vlákna". Lepící páskou se dotkli okraje koberce, nanotrubky se přilepily, a vědci začali táhnout za lepící pásku. Začala se tvořit fólie z propletených nanotrubek. Čím byly nanotrubky v koberci delší, tím lépe se fólie tvořila. Bylo ji možné vyrábět rychlostí až 7 m/min. Tazeni nanotrubkove folie Vytažená folie je tlustá asi 18 μm a má hustotu pouhých 0,0015 g/cm³. Kvuli zhutneni se pak paska polila lihem, jehoz povrchove napětí stáhlo fólii a líh se vypařil. Výsledkem byla 50 nm tenká fólie s hustotou 0,5 g/cm³ a výbornými mechanickými vlastnostmi. Pro představu 1 km² fólie by vážil pouhých 30 kg to je voda na mlýn slunečním plachetnicím. Jelikož nanotrubky rostly spolu, jsou k sobě vázány elektrickými silami lépe než když jen vedle sebe uschnou tak, jako v jiných metodách. Fólie tak má výborné mechanické vlastnosti. Její pevnost vztažená na hustotu je 175 MPa/(g/cm³) zatímco známá fólie Mylar má 160 MPa/ (g/cm³) a vysokopevnostní ocel asi 125. Výborné je, že fólie je elektricky vodivá a průhledná. 16

19 Praktické použití je díky zmíněné vodivosti a průhlednosti široké. Podařilo se v obyčejné mikrovlné troubě svařit dva kusy plexiskla. Mezi nimi byla nanotrubková fólie, která snadno přijímá mikrovlnné záření. Zahřála se tedy a plexisklo svařila. Zachovala si při tom svou vodivost a průhlednost. Takové sklo by bylo možné vyhřívat díky fólii zevnitř a ještě by se zpevnilo. Už žádné drátky na oknech aut. Větší dopad by mohla fólie mít na elektrotechniku. Velmi tenká vodivá fólie umožní výrobu lepších kondenzátorů, protože z ní půjde navinout více závitů při stejném objemu. Mohla by se uplatnit v ohebných displejích, mimo jiné proto, že dokáže svítit jako žárovka. Folie svitici jako zarovka Nejdůležitější je, že fólii lze velmi snadno vyrábět ve velkém. Tažení sedmi metrů za minutu v laboratorních podmínkách slibuje větší rychlosti při praktickém nasazení. A zejména není nutné žádné složité a extrémně drahé zařízení. 5.7 Nosiče katalyzátoru Jednostěnné nanotrubky mají velký aktivní povrch, každý atom je vlastně na dvou površích současně uvnitř a vně nanotrubky. Toto, spolu se schopností vázat téměř jakékoliv chemické skupiny na své stěny, činí nanotrubky jedinečným materiálem pro katalyzátory. Elektrická vodivost můze být také využita pro nové druhy katalyzátorů a katalytického chování. 17

20 6 Závěr Nanotrubky jsou novým a v mnoha ohledech unikátním materiálem. Jejich vlasnosti jako elektrická vodivost, pevnost a vynikající tepelná vodivost umožňují aplikace v mnoha oborech lidské činnosti. Rozsáhlost chemie uhlíku pak otevíra další možnosti využití v budoucnu. S rozvojem průmyslové výroby jednostěnných uhlíkových nanotrubek, kterou prozatím brzdí malé výtěžky metod založených na CVD a problémy se separací při použití obloukového výboje, lze očekávat větší rozšíření a zlevnění tohoto progresivního materiálu. 18

21 7 Literatura Chemie Fullerenů, Pavel Lhoták, Ústav Organické Chemie, VŠCHT Praha 5. The Wondrous World of Carbon Nanotubes, kolektiv autoru, Eindhoven University of Technology 19