Was sind Nanoröhrchen?
Nanoröhrchen sind mikroskopisch kleine Materialien mit einer röhrenförmigen Struktur.
Sie werden Nanoröhrchen genannt, weil die Größe der Röhre im Nanometerbereich liegt. Der Begriff bezieht sich im Allgemeinen auf Kohlenstoff-Nanoröhren, die aus Kohlenstoff bestehen.
Kohlenstoff-Nanoröhren wurden 1991 von Dr. Sumio Iijima (heute Professor an der Meijo Universität) entdeckt und bestehen aus einer Schicht von Benzolringen ohne Zwischenräume, die zu einer zylindrischen Form aufgerollt sind. In diesen Zylinder können weitere dünne Röhren eingefügt werden, wobei eine einzelne Schicht als einwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWNT) und mehrere Schichten als mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWNT) bezeichnet werden. Nanoröhre).
Anwendungen von Nanoröhrchen
Kohlenstoff-Nanoröhren werden häufig im Bereich der Nanotechnologie eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und ihres hohen Seitenverhältnisses können sie Netzwerke aus leitenden Röhren bilden.
Aufgrund ihrer starken chemischen Bindungen können sie auch mit Polymeren verwendet werden, um deren mechanische Festigkeit zu erhöhen, was sie zu sehr guten Wärmeleitmaterialien macht. Es wird erwartet, dass ihre elektronischen und mechanischen Eigenschaften in einer Vielzahl von Bereichen als grundlegendes Material für die Nanotechnologie genutzt werden können. Beispiele für Produkte, für die es bereits erste Anwendungen gibt, sind Tennisschläger, Fahrradrahmen, Lautsprecher, Kopfhörer und Drähte.
Grundlagen der Nanoröhrchen
Kohlenstoff-Nanoröhren sind chemisch sehr stabile Materialien und mit einer Dichte, die nur halb so hoch ist wie die von Aluminium, extrem leicht. Dennoch sind sie 20-mal stärker als Stahl, 1.000-mal stromdichter als Kupfer und haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer.
1. Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT)
Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWNT) sind nahtlose zylindrische Materialien, die aus einer einzigen Graphenschicht bestehen; die elektrische Leitfähigkeit von SWNT variiert mit der Bandlücke je nach Wicklung und Durchmesser der Graphenblätter, die die Röhre bilden, und kann metallisches oder halbleitendes Verhalten aufweisen.
2. Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (DWNT)
DWNTs (doppelwandige Kohlenstoffnanoröhren) haben eine für Feldeffekttransistoren geeignete Bandlücke. Ihr elektrisches Verhalten ist jedoch sehr komplex, was ihre Verwendung auf Bereiche wie die Dünnfilmelektronik beschränkt. Andere Anwendungen umfassen Kontrastmittel und therapeutische Wirkstoffe in biologischen Systemen durch selektive Funktionalisierung der äußeren Schichten.
3. Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWNT)
Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWNT) lassen sich leichter in Massenproduktion herstellen und sind pro Stück billiger als ihre einwandigen Gegenstücke (SWNT). Die Funktionalisierung führt in der Regel zur Spaltung der Kohlenstoff-Doppelbindungen und zu veränderten Eigenschaften, während bei mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren nur die äußere Schicht verändert wird, so dass die ursprünglichen Eigenschaften beibehalten werden können.
Es werden Methoden benötigt, um die Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren zu modifizieren, um neue Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zu erzielen, wie z. B. Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln, verbesserte Funktionalität, Dispergierbarkeit und Kompatibilität. Dies kann durch Oxidationsreaktionen mit Säuren, Ozon, Plasma usw. erreicht werden. Durch die Bildung von Hydroxyl- und Carboxylgruppen wird beispielsweise eine Polarität erzeugt, die die Löslichkeit und die Affinität zu verschiedenen Polymeren erhöhen kann.
Weitere Informationen über Nanoröhrchen
1. Praktische Anwendungen von Nanoröhrchen
Das AIST hat zusammen mit einem gemeinsamen Forschungsunternehmen die Ergebnisse eines NEDO-Projekts genutzt, um einen O-Ring, der als Dichtungskomponente für Rohre und Behälter verwendet wird, unter Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), die durch die Superwachstumsmethode synthetisiert wurden, erfolgreich zu kommerzialisieren, was die erste Kommerzialisierung darstellt (2018).
Nanoröhrchen können durch Laserablation, Bogenentladung und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) synthetisiert werden. Von diesen Ansätzen ist die CVD-Methode am ehesten für die industrielle Massenproduktion geeignet.
Die Super-Growth-Methode ist eine äußerst innovative Synthesemethode, bei der die Katalysatorlebensdauer, die normalerweise einige Sekunden beträgt, durch Zugabe einer sehr geringen Menge Wasser (in der Größenordnung von ppm) in die Syntheseatmosphäre der CVD-Methode auf einige Dutzend Minuten verlängert werden kann, was die Synthese großer Mengen einwandiger Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) aus sehr geringen Katalysatormengen mit einer 3.000-mal schnelleren Zeiteffizienz als bei herkömmlichen Methoden ermöglicht. Die Super Growth-Methode ist eine äußerst innovative Synthesemethode.
Im Vergleich zu konventionellen CNTs weisen die mit der Super Growth-Methode hergestellten CNTs Eigenschaften wie ein hohes Seitenverhältnis, eine hohe Reinheit und eine große Oberfläche auf und sollen für neue Funktionsmaterialien mit neuen Funktionen und Eigenschaften eingesetzt werden. Insbesondere wird erwartet, dass sie für innovative Materialien wie Hochleistungsgummimaterialien und hoch wärmeleitfähige Materialien eingesetzt wird, und es wird erwartet, dass die Nachfrage nach diesen Materialien steigen wird.
Für die Zukunft werden praktische Anwendungen im Energiebereich, wie Superkondensatorelektroden und Sekundärbatterieelektrodenmaterialien, im Elektronikbereich, wie Siliziumersatz-Halbleiterschaltungen und flexible elektrische Schaltungen, im Bereich der Hochleistungswerkstoffe, wie transparente leitfähige Folien und Aktuatoren, und im Bereich der Strukturwerkstoffe, wie Verstärkungsmaterialien für Automobil- und Flugzeugkarosserien, erwartet. Es werden praktische Anwendungen erwartet.
2. Massenproduktion von Nanoröhrchen
Die Massenproduktion von Kohlenstoff-Nanoröhren wurde mit Hilfe der vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) entwickelten Super Growth Method auf der Grundlage der Ergebnisse eines NEDO-Projekts eingeführt. Die ZEON Corporation hat eine Anlage für die Massenproduktion von Kohlenstoffnanoröhren (CNT) nach der Super Growth Methode fertiggestellt, und die weltweit erste Massenproduktionsanlage wurde 2015 in Betrieb genommen.
3. Nachteile von Nanoröhrchen
Kohlenstoff-Nanoröhren sind als krebserregend und andere Risiken bekannt, wenn sie vom menschlichen Körper eingeatmet werden. Aus diesem Grund werden die Risiken für den menschlichen Körper von verschiedenen Forschungsinstituten untersucht.
Ein weiteres Problem ist, dass Kohlenstoffnanoröhren teurer sind als andere Materialien. Es ist zu hoffen, dass die Einführung der Massenproduktionstechnologie in Zukunft zu niedrigeren Preisen führen wird.