{h1}
vetenskap + teknik

Tro inte på hype: kolnanorör är bara extraordinära

Anonim

När du läser det här, forskar forskare runt om i världen för att utveckla starkare, mindre och mer kostnadseffektiva material för en rad potentiella användningsområden.

Men medan det finns många "nanoskala" material i rörledningen, fortsätter kolnanorörerna (CNT) "nanotechrevolutionens" affischbarn.

Vetenskapen till (mycket) liten

Nanoteknik avser sig med material som har en eller flera dimensioner inom intervallet 1 till 100 nanometer. För att uttrycka detta i perspektiv, vid den övre gränsen är det fortfarande 1000 gånger tunnare än ett mänskligt hår.

CNT faller inom detta område och är gjorda av ett eller flera koncentriska rör eller "väggar" av grafitkol. De introducerades först för de allmänna och vetenskapliga samhällena av japansk fysiker Sumio Iijima 1991.

Men de hade varit kända och förstådda i minst 40 år före det som en tröttsam och skadlig produkt som bildades i murverk av ugnar.

Om CNTs lever upp till förväntningarna, kommer deras styrka och styvhet att göra dem, vikt för vikt, flera hundra gånger starkare och styvare än stål, med ledningsförmågan hos koppar och termiska egenskaper hos diamant. Som en extra bonus kommer de också att vara billiga att göra.

Denna imponerande lista över egenskaper har gjort CNTs mottagliga för en viss hyping. Visioner av superlätta flygplan och fordon har uppstått, liksom historier om papperstunna antiballistiska västar och tunna, högspänningsledningar.

Kanske är den mest ambitiösa spekulationen, komplett med tecknade teckningar av NASA, att CNTs är tillräckligt starka för att en dag bygga en "hiss" -kabel i omloppsbana.

Vi har verkligen inte nått sådana höga höjder (och får aldrig göra det). Kanske som en följd, frågar de människor som köpt tungt i hype kring CNTs vad nu efter två decennier av forskning har uppnåtts? Väl

.

Den goda sidan

CNT har fallit i pris från tusentals dollar till bara några cent per gram. Samtidigt har produktionen ökat från gram per dag till ton per dag, och kvaliteten har ökat från 99% orenhet till 99% CNT.

Lätt uppnådda längder har ökat från mikron till millimeter - en tusen gånger ökning - med den längsta rapporterade CNT spänner nu 185 millimeter.

Det finns nu ett halvt dussinteknik för att producera rena CNT-trådar - inklusive en teknik som kallas "Direkt Spinnable Carbon Nanotubes" hos CSIRO, som också kan producera ultrafina banor och band av korta fibrer eller "stapel" CNT.

Anmärkningsvärt har den uppmätta styrkan och styvheten hos enskilda CNT: er nått mellan 20% och 80% av de förutsagda värdena för (mycket) ca 100 gigapascaler respektive en Terapascal. (Variabeln för dessa siffror delvis återspeglar den stora svårigheten att genomföra mätningar på sådana små föremål). Elektriska, elektroniska och termiska egenskaper har i stor utsträckning uppfyllt förutsägelser.

Så vad har de använts för?

Nå, enkla nanorör har använts för att göra radiosändare och mottagare, atombalanser, sensorer och nanomotorer. Vi kan också dispergera och deponera CNT på silikonplattor för direkt införlivande i halvledarkonstruktioner som transistorer.

Baksidan

Svårigheten att nå nanorörteknikens potential är i hjärtat på grund av CNT: s nuvarande status: helt enkelt, de är varken en sak eller en annan. CNT är varken kemikalier som kan smältas eller lösas och strängsprutas (som vi kan göra med polymerer som Kevlar), eller föremål som kan sorteras, bearbetas och justeras (som görs med ullfibrer).

Den dominerande kraften mellan CNT är känd som van der Waals interaktion, en spöklik attraktion som är obetydlig för molekyler, eftersom de har så få atomer och för konventionella fibrer, eftersom de har så lite kontaktytor.

För CNT, med ett stort antal atomer och en hög yta är van der Waals-interaktionen särskilt stark.

Vår dåliga förståelse och kontroll av denna mystiska attraktion gör utnyttjandet av styrkan hos CNTs en sådan utmaning.

Med större kunskap kommer möjligheten att manipulera interaktionen och anpassningen av CNT, och därför bygga större och mer användbara CNT-material.

Under de senaste decennierna har enorma framsteg gjorts, men det är fortfarande mycket tidiga dagar i nano-revolutionen både för CNT och för andra material.

När vi flyttar längre ner på upptäcktsvägen kan vi en dag uppfylla de föränderliga förväntningarna som ligger på axlarna för denna teknik.

För tillfället är dock CNTs bara extraordinära.

Rekommenderas

Hur undersökande journalister använder sociala medier för att avslöja sanningen

Firande Marion Walter - och andra oskilda kvinnliga matematiker

Arbetet står verkligen inför en hård kamp i Skottland