Az anyagok fejlesztésével a méretek csökkennek [Feynman, 1959]. Szén nanocsövek Szeibert Janka 2017. Május 19.

A jövő - és részben már a jelen - ígéretes anyagai Nemrég: szilíciumalapú mikrocsipek 1𝜇𝑚= 10 −6 𝑚 Ma: 1𝑛𝑚=10 −9 𝑚

Nano mérettartomány Természet Emberkéz 21. Század kihívásai Mikrovilág DNS ~2-1/2 nm átmérő Emberkéz MikroElektroMechanikus eszköz 10 -100 mm Pollen szemcse Légytojás ~ 10-20 mm Szilícium atomok Gombostű feje 1-2 mm Kvantum korál - 48 Fe atom egyesével pozícionálva Cu felületen STM tűvel Korál átmérő 14 nm Emberi haj ~ 10-50 mm Vörösvértestek fehérvérsejt ~ 2-5 mm Hangya ~ 5 mm Poratka 200 mm ATP szintetáz ~10 nm átmérő Nanocső elektród Szén nanocső ~2 nm Nanocső tranzisztor 21. Század kihívásai Hogyan lehet kombinálni a nanoméretű építőköveket, hogy új eszközöket építsünk? pl., fotoszintetikus reakciócentrum egy félvezető részecskével összekapcsolva Mikrovilág 0.1 nm 1 nanométer (nm) 0.01 mm 10 nm 0.1 mm 100 nm 1 mikrométer (mm) 10 mm 100 mm 1 milliméter (mm) 1 cm 10-2 m 10-3 m 10-4 m 10-5 m 10-6 m 10-7 m 10-8 m 10-9 m 10-10 m Visible Nanovilág 1,000 nanométer = Infrared Ultraviolet Microwave Soft x-ray 1,000,000 nanométer = Röntgen-sugár “lencsék” gyűrűk távolsága ~35 nm Vörösvértest Természet

Nanotechnológia=nanotudomány? A nanoszerkezetű anyagok vizsgálata modellezése tulajdonságainak megismerése előállítása Nanotechnológia = nanoszerkezetű anyagok előállítási eljárásai

A szén – C

Szén néhány allotróp módosulata Gyémánt Grafit

Szén néhány allotróp módosulata Grafén: egy egyetlen atom vastagságú grafitréteg Felfedezése: ismétlés 

Szén néhány allotróp módosulata Fullerén=C60 60 szénatomból 𝑑≈1𝑛𝑚

A szén néhány allotróp módosulata

Az egyfalú szén nanocső Belül üreges henger Elnevezés az átmérőről: d≈1𝑛𝑚 Hosszuk tipikusan több tíz- vagy százezerszer nagyobb vastagságuknál.

Szén nanocsövek története 1991: Tsukuba (Japán) Sumio Iijima: Koromrészecskék vizsgálata: Hosszú, szálszerű alakzatokat a szénrészecskék között=szén nanocsövek

Szén nanocső származtatása a hatszöges rács feltekeréséből

Szén nanocső

Fullerén "sapkával" lezárt szén nanocső

Azért egyfalú, mert vannak többfalúak 1991-ben Iijima első nanocsövei, Több koncentrikus egyfalú nanocső Többfalú szén nanocső

Az egyfalú szén nanocsövek típusai

1. karosszék típusúak: A cső hossztengelye ilyenkor merőleges a szén-szén kötések egy részére. Fémként viselkedik.

2. cikk-cakk típusúak: A nanocső hossztengelye ilyenkor párhuzamos a szén-szén kötések egy részével. A cikk-cakk típusú csövek kétharmada fémként, míg egyharmada félvezetőként viselkedik.

3. királis típusúak: (Az összes egyéb fajta cső.) A cső tengelye és a hozzá legközelebb eső szén-szén kötés 0o és 30o közötti szöget zár be. A kiralitás határozza meg a cső viselkedését. Egyharmada fém, kétharmada félvezető tulajdonsággal rendelkezik.

Nanocsövek tulajdonságai, avagy a végtelen hosszú szuperlista csöves szerkezet erős C-C kötések ~ grafit Méret+Alak nagy felület fontos szerep pl.: Ha könnyű, ugyanakkor nagyon erős anyagra van szükségünk.

Nanocsövek tulajdonságai Méret, vastagság: Az egyfalú nanocsövek átmérője 0.6-1.8 nanométer, míg a többfalú nanocsövek átmérője 1-100 nanométer között változik.

Nanocsövek tulajdonságai Sűrűség: 𝜌 𝑒𝑔𝑦𝑓𝑎𝑙ú 𝑛𝑎𝑛𝑜𝑐𝑠ő = 1,33−1,4 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑚 𝑐𝑚3 Összehasonlításképp: 𝜌 𝑎𝑙𝑢𝑚í𝑛𝑖𝑢𝑚 =2,7 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑚 𝑐𝑚3

Nanocsövek tulajdonságai Szakítószilárdság: Példa nélküli: 75-ször nagyobb az acélénál

Nanocsövek tulajdonságai Rugalmasság: Hajlítás Eredeti alak felvétele Fémek (pl. acél) már kis hajlítás esetén törnek.

Nanocsövek tulajdonságai Vezetőképesség: Egyfalú nanocső: 1 billió A/cm2 Rézvezetékek: 1 millió A/cm2-nél elégnek. 10 6 ≪ 10 12

Nanocsövek tulajdonságai Hővezetés: Becsülhetően 6000 W/(m*K) lehet szobahőmérsékleten, míg a nagy tisztaságú gyémánt hővezető képessége ennek kb. a fele (3320 W/(m*K)).

Nanocsövek tulajdonságai Hőstabilitás: A nanocsövek vákuumban 2800oC-ig és levegőn 750oC-ig stabilak. A fémek 600-1000oC között már olvadnak.

Nanocsövek tulajdonságai Ár: A nanocsövek grammonként 1500, míg az arany egy grammja 10 dollárba került 2000. októberében.

A nanocsövek felhasználási területei Elektromos eszközök működtetése: Nagyon hegyes képződmények ~ villámhárító Kis 𝑈→ Nagy 𝐸 →Elektronok kiszakítása a nanocsőből könnyű

A nanocsövek felhasználási területei Gázok adszorpciója: nanocsövek belsejében kötegek intersticiális járataiban található. Ez a szerkezet előrevetíti nagymennyiségű gáz tárolásának lehetőségét.

A nanocsövek felhasználási területei Hidrogéntároló képesség kutatása Egyelőre tárolását még nem sikerült az Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának hidrogénprogramja által előírt mennyiségben megvalósítani (6,5 tömeg%).

A nanocsövek felhasználási területei Műanyagok erősítőanyaga: Szénszálak hasznosítása: űrhajózás, sporteszközök, építkezések, egészségügyi segédeszközök. A kompozitokban: szál + polimer Most nanocsövekkel: könnyű + erős

A nanocsövek felhasználási területei Pl.: A 2006-os Tour de France kerékpárverseny győztese például olyan kerékpárt használt, melynek a szénszálas vázát szén nanocsövekkel erősítették meg, és a rendkívül erős váz így mindössze 1 kg volt.

A nanocsövek felhasználási területei Szén nanocsövekből szupererős fonalat lehet fonni. Szívósság: 570 J/g (kevlár*17) (pókselyem*4) Ez maga A Gyűrűk Urából ismert - "mithril láncing"

A nanocsövek felhasználási területei Szaracénok híres, damaszkuszi acélból kovácsolt kardja A kard élében: szén nanoszerkezetek = nanocsövek és szénszálak

Ha a fantázia beindul Űrlift: Kábelen szállítanánk pl. az embereket Horribilis összeg Jelenleg ismert anyagok közül az ehhez szükséges mechanikai igénybevételt egyedül a szén nanocsövek bírnák ki

Ha a fantázia beindul Tengervízből ivóvíz: Kísérleti stádiumban vannak szén nanocsövekből álló olyan membránok, amelyek - a nanométeres átmérőjű csövekben történő áramlások tulajdonságai miatt - alkalmasak különböző molekulák hatékony szétválasztására.

Ha a fantázia beindul Gyógyszer célzott eljuttatása A nanocsövek belsejébe a nyitott végükön viszonylag könnyen be lehet juttatni különböző molekulákat. + A szén nanocsövek külsejére rá lehet kötni különféle oldalcsoportokat. nanokapszulaként szolgálhatnak: gyógyszermolekulákat célzottan lehetne eljuttatni a szervezet megadott helyére.

Ha a fantázia beindul Daganatos sejtek szelektív elpusztítása. Amerikai kutatók sikeres egérkísérletei: Daganatos sejtekhez nanocsövek hozzákötése. Állat megvilágítása - a fényt a test szövetei jórészt átengedik, a szén nanocsövek viszont nagymértékben elnyelik. Ezáltal a nanocsövek közvetlen környéke annyira fölmelegedett, hogy ettől elpusztultak a daganatos sejtek.

Hivatkozások http://fizikaiszemle.hu/archivum/fsz0703/mindentud0703.html Sápi András: Nanorészecske-szén nanocső nanpompozitok előállítása, jellemzése és katalitikus tulajdonságainak vizsgálata. Szeged, 2012