Kolnanorör har unika egenskaper som gör materialet intressant både inom forskning och kommersiellt. Men kristallstrukturen är inte alltid perfekt. En avhandling vid Karlstads universitet visar hur egenskaperna kan bli drastiskt mycket bättre bara genom att öka kristalliniteten lite grann.
Kolnanorör är mycket tunna, lätta och ihåliga rör som består av kolatomer. Väggen på röret är bara en atom tjock. Rörväggen är som ett ark av grafit som rullas till en cylinder, med hexagonala gallerverk som utgör arket.
Med sina unika mekaniska, elektriska och termiska egenskaper ger kolnanorör stora möjligheter för vetenskaplig forskning och industriella och kommersiella applikationer. Det finns en mycket stor potential för materialet till exempel i kompositindustrin, men användningsområdet är bredare än så.
Nanorören har inte alltid perfekt struktur
Mattias Flygare, nybliven doktor i fysik vid Karlstads universitet, har i sin avhandling studerat vilken effekt kristalliniteten har på olika egenskaper, som rörens böjstyrka och elektrisk ledningsförmåga.
– Vi vet att om rören hade en perfekt atomstruktur så skulle dessa egenskaper vara fantastiskt goda, men verkligheten är oftast inte perfekt. Istället ser vi att rörens väggar består av ett ”lapptäcke” av olika stora ”flagor” med fin atomstruktur. Hur stora dessa kristallflagor är, tillsammans med andra avvikelser från det perfekta, ger materialet olika egenskaper.
Kristallinitet är graden av strukturell ordning i ett fast ämne. I en kristall är atomerna molekylerna, eller jonerna ordnade på ett regelbundet, periodiskt sätt. Strukturen upprepar sig i alla tre dimensioner.
Ordet kristall kommer från grekiskans kry’stallos som betyder både is och bergkristall.
Flagor av perfekta mönster
– Jag har studerat hur mycket olika oregelbundenheter i atomstrukturen påverkar materialets egenskaper, säger Mattias Flygare. För att titta på atomstrukturen har jag använt vårt transmissionselektronmikroskop här på Karlstads universitet.
Mikroskopet använder elektronstrålar istället för ljus för att ”genomlysa” materialet. Det gör det möjligt att se ner till nanometernivå, alltså en miljarddels meter, vilket är ofattbart litet.
Verktyget gör det möjligt att se enskilda atomer
Med hjälp av transmissionselektronmikroskop kan man komma förbi det synliga ljusets upplösningsgräns, som är omkring en mikrometer, och ner till cirka 100 pikometer, det vill säga 0,1 nanometer. Denna teknik gör det möjligt att få upplösning av enskilda atomer.
Inuti mikroskopet på Karlstads universitet finns också möjligheten manipulera kolnanorören med en specialbyggd sond som kan kontrolleras på nanometernivå.
– Vårt elektronmikroskop är helt vibrationsisolerat från resten av huset, säger Mattias Flygare. Om mikroskopet hade kontakt med huset, skulle det inte krävas mer än att en person passerade i korridoren utanför för att vibrationerna skulle göra bilden otydlig och oanvändbar.
– Mina studier visar bland annat att egenskapernas beroende av atomernas regelbundenhet inuti rörväggarna inte alltid är helt linjär. Och det finns kritiska punkter där egenskaperna kan bli drastiskt mycket bättre bara genom att öka kristalliniteten lite grann. Det här är ett mycket intressant resultat som visar på behovet av mer forskning och framtagandet av ett klassifikationssystem för kolnanorör, så att rätt sorts rör kan användas till rätt syfte, och för att vidareutveckla produktionsmetoderna för rören.
– Det saknas idag mätstandarder och klassificeringssystem för kolnanorör.
Kolnanorör starkare än diamant och lättare än stål
Nanorör är en cylinder av grundämnet kol, skapat av ett hoprullat grafenlager och utgör en del av nanoteknologin.
Nanorören är uppbyggd av sexkantiga strukturer som bildar ett rör i en nanometers storlek i diameter. Bindningen i strukturen gör den starkare än diamant, vilket gör grafen till det starkaste existerande materialet, samtidigt som det har bättre värmeisolerande förmåga än diamant.
Beroende på strukturen kan nanorören vara elektriska ledare eller halvledare. De ledande varianterna är tusen gånger bättre än koppar, vilket tillsammans med den goda isolationsförmågan gör materialet utmärkt inom elektronik.
Även som byggmaterial är det väldigt användbart eftersom det är betydligt mycket starkare och lättare än stål. Det är även lättare än bomull. De används också i en ny slags bildskärmsteknologi som kallas OLED (organic light-emitting diode) och lyser när el går igenom dem.
Idag hittar man applikationer för kolnanorör i många olika produkter, och forskare fortsätter att utforska kreativa nya sätt att använda materialet. Kolnanorör finns i olika kompositmaterial till exempel i sportutrustning som tennisracket och cyklar, för dess förmåga att förbättra hållfastheten men samtidigt minska vikten. På grund av dess elektriska ledningsförmåga är det också användbart i all möjlig elektronik, och det finns även mer exotiska användningsområden på horisonten.
