Georiënteerde groei van koolstof nanobuizen door katakytisch geïnduceerde ontbinding van acetyleen en methaan

Nieuwe elementaire bouwstenen voor innovatieve toepassingen

Dankzij hun uitzonderlijke eigenschappen zijn koolstof nanobuizen de elementaire bouwstenen in tal van innovatieve toepassingen. Hun uitgebreid potentieel sloeg de wetenschappelijke wereld met verstomming. De technologische revolutie staat op het punt in een nanotechnologische revolutie te transformeren.

Alles, werkelijk alles wat je je kan inbeelden is opgebouwd uit moleculen. Er bestaan ontzaglijk veel soorten moleculen en door de juiste combinaties ervan krijg je mensen, dieren, planten, planeten, sterren … . Moleculen vormen de elementaire bouwstenen voor wat is en ooit zal zijn en hun individuele eigenschappen bepalen de eigenschappen van het geheel waartoe ze behoren. Net zoals een stenen huis veel beter bestand is tegen de natuurkrachten dan een houten huis, liggen sterke, flexibele moleculen aan de basis van sterke, flexibele toepassingen.

Als men op zoek gaat naar nieuwe toepassingen zoals sterkere materialen, snellere computers en nieuwe geneesmiddelen bouwt men meestal verder op de ervaringen, technieken en de kennis die men al heeft opgedaan. Men plaatst bijvoorbeeld een paar transistoren bij op een computerchip voor de volgende generatie pentiums of men verhoogt de hoeveelheid antibiotica in een geneesmiddel. Vooruitgang is op die manier een continue evolutie, stap voor stap. Men gebruikt dezelfde moleculen die men steeds beter leert begrijpen en afstellen.

Deze evolutie wordt een ware revolutie door het gebruik van nieuwe moleculen met superieure en ongeëvenaarde eigenschappen, namelijk koolstof nanobuizen. Koolstof nanobuizen zijn per definitie geen echte moleculen, maar vormen wel de bouwstenen in innovatieve en zelfs futuristische toepassingen. Koolstof nanobuizen worden vaak vergeleken met dikke, uitgerokken moleculen. Het zijn holle koolstof cilinders, slechts enkele miljoensten van een millimeter dik en tot enkele centimeters lang. Je kan ze het best vergelijken met een haar, alleen zijn ze 50000 keer zo dun. Koolstof nanobuizen zijn duizend keer sterker dan staal en toch zo flexibel als rubber. Stel je een massieve, ijzersterke staaf voor die je met grote kracht buigt en die na het verdwijnen van die kracht als een veer terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm. Verder zijn koolstof nanobuizen betere elektrische geleiders dan koper en zijn ze bestend tegen hitte. Koolstof nanobuizen zijn stabiel in vacuüm tot ongeveer 2500°C.

De uitzonderlijke eigenschappen van deze elementaire bouwstenen stralen door in toepassingen die in de zeer nabije toekomst de markt gaan veroveren. Wat denk van krasvrije carrosserie voor auto’s, anti-graffitiverf die volledig water en olie afstotend is en computergeheugens die de opstartprocedure overbodig maken omdat de gegevens niet meer verloren gaan als de stroom wordt uitgeschakeld.

Er is echter één probleem: het is niet zo gemakkelijk om koolstof nanobuizen op efficiënte, goedkope en controleerbare wijze te produceren. Er zijn verschillende technieken om nanobuizen te produceren, maar de “Chemical Vapor Depostion” of CVD-methode is de enige techniek die de industrialisatie van nanobuizen mogelijk maakt.

Koolstof nanobuizen worden via de CVD methode niet gekweekt, geassembleerd of geoogst, maar wel gegroeid, net als gras. Net zoals er uit ieder zaadje dat je plant juist één grassprietje groeit, groeien koolstof nanobuizen uit kleine, ronde, metalen eilandjes. Als ondergrond of substraat wordt er gekozen voor een silicium plak waarop een dunne continue metaalfilm wordt aangebracht. Goede metalen zijn ijzer, nikkel en kobalt. Door het geheel in een afgesloten kwarts buis op te sluiten en op te warmen tot ongeveer 800°C breekt de continue film op in minuscule, ronde metalen eilandjes, zaadjes waaruit een nanobuis kan groeien. Na deze voorbereidende stap volgt de eigenlijke groei, waarvoor een koolstofbron vereist is. Een koolstofhoudend gas zoals methaan of acetyleen wordt door het kwarts buis gepompt en door de hitte breken de gasmoleculen op in individuele koolstofatomen. De koolstofatomen drijven naar het substraat en recombineren daar op, in en rond de metalen eilandjes tot koolstof nanobuizen. Deze zogenaamde metalen zaadjes sturen de groei en uit ieder zaadje kan op deze manier juist één nanobuis groeien.

Als je bovenstaand recept volgt en over de nodige middelen beschikt, is het niet echt moeilijk om koolstof nanobuizen te groeien. De kunst zit hem echter in een gecontroleerde groei. Voor industriële toepassingen is het nodig om miljoenen identieke nanobuizen te groeien. Dit vereist een controle over de lengte, diameter en oriëntatie van de koolstof nanobuizen. De diameter van de nanobuizen is evenredig met de diameter van de metalen eilandjes, de lengte is min of meer controleerbaar door de duur van het experiment, maar de oriëntatie is een moeilijk controleerbare parameter.

Door nanobuizen met de zojuist beschreven procedure te groeien, krijg je geen mooie grasmat vol met kaarsrechte sprietjes, maar een chaotisch kluwen van nanobuizen zoals een bord gekookte spaghetti. Om kaarsrecht georiënteerde nanobuizen te groeien, zijn er kunstgrepen nodig.

Om oriëntatiecontrole te bewerkstelligen wordt er gebruik gemaakt van elektrische velden. Door een spanningsverschil aan te leggen tussen twee elektroden die een eindje van elkaar staan opgesteld, wordt de middenstof gepolariseerd. Dit wil zeggen dat alles wat zich tussen de twee elektroden bevindt zich gaat rangschikken volgens denkbeeldige lijnen die de twee elektroden verbinden, ook wel veldlijnen genoemd. Polarisatie is een welgekend fenomeen van de elektrostatica. Het handige is dat koolstof nanobuizen zich ook aan deze natuurwet houden.

Om met nanobuizen toepassingen te bouwen, dienen individuele nanobuizen gemanipuleerd te worden zoals een kind blok na blok een kasteel bouwt. Individuele koolstof nanobuizen zijn echter zo klein dat je ze niet eens met een conventionele optische microscoop kan waarnemen. Het is dus onmogelijk om individuele nanobuizen na de groei te manipuleren. Als je wilt dat een koolstof nanobuis in een toepassing een positie A met een positie B verbindt, dan kan dit enkel door de nanobuis tijdens de groei in de juiste richting te dirigeren.

Om koolstof nanobuizen te implementeren in toepassingen moet de oriëntatie van individuele nanobuizen tijdens de groei gedirigeerd worden met behulp van elektrische veldlijnen. Dit is precies de behaalde doelstelling van het onderzoek in mijn eindverhandeling: het groeien van één enkele kaarsrechte koolstof nanobuis die de kortste afstand tussen twee elektrische contactpunten overbrugt door middel van de CVD-methode en met behulp van elektrische velden.

De nanobuis is op die manier een elektrisch geleidende draad van slechts enkele atomen dik. Deze techniek kan gebruikt worden in de elektronica van morgen waarbij nanobuizen de verschillende transistoren op een computerchip met elkaar verbinden.