Ultrakleine elektronica, medicijntransport in je lichaam, stevige en lichte fietsframes, warmtecellen, geleidend papier, een ruimtelift: de lijst van mogelijke toepassingen van koolstofnanobuisjes wordt met de week langer en indrukwekkender. Op het eerste gezicht (zie de afbeelding links) zien ze er vrij eenvoudig uit: niet meer dan een opgerold velletje kippengaas van koolstofatomen. De eigenschappen – licht als een veertje, sterker dan staal en ideale geleiding van warmte en elektriciteit – spreken echter tot de verbeelding.
Een groot probleem is nog de productie. Om op grote schaal identieke nanobuisjes te fabriceren is nu nog erg lastig en kostbaar. Wat is de beste manier om koolstofnanobuisjes te maken?
Met de kracht van bliksem?
Sumio Iijima was in 1991 de eerste die officieel meldde dat hij koolstofnanobuisjes had gemaakt. De methode die hij toepaste was eenvoudig en wordt nu nog steeds het meest gebruikt. Wat is het idee? Je neemt twee staven puur grafiet – een kristalachtige structuur van lagen koolstofatomen waar ook je potloodpunt van is gemaakt – die je gebruikt als elektroden. In een reactiekamer gevuld met argon of helium, gassen die nauwelijks reageren met het grafiet, zet je een grote stroom van zo’n 50 tot 100 ampère op de elektrodes.
En dan gebeurt er iets vergelijkbaars als bij bliksem: tijdens een felle ontlading springen elektronen door het gas over van de ene naar de andere staaf. De temperatuur loopt op tot 4000 graden Celsius. Een gedeelte van het koolstof van de ene elektrode verdampt en slaat als gruis neer op de andere elektrode. Dit gruis is een ratjetoe van koolstofstructuurtjes, waaronder nanobuisjes. Deze nanobuisjes zijn allemaal van verschillende grootte en je moet ze ook nog eens eerst tussen het ‘puin’ vandaan vissen. Neem de hoge kosten erbij en je weet dat deze methode met name geschikt is voor het laboratorium, en niet voor de fabriek.
…of bombarderen met een laser?
In plaats van bliksem kun je ook een laser gebruiken. Bij deze techniek, laserverdamping genoemd, gebruik je wederom grafiet. In een reactiekamer vol argongas knal je een intensieve laserbundel op het stuk grafiet. Dit wordt zo sterk verhit dat als gevolg hiervan brokjes koolstof verdampen en neerslaan als roet op een koelsysteem. Dit roet bevat naast koolstofnanobuisjes andere koolstofproducten, zodat je ook hier met een afvalprobleem opgezadeld zit.
Bij laserverdamping kun je echter het grafiet vermengen met een katalysator als nikkel of kobalt. Hierdoor komt het proces van verdamping sneller op gang en kun je ruim twee keer zoveel nanobuisjes in één keer maken dan met de ‘bliksem-methode’. Je kunt bovendien spelen met de temperatuur die de grootte van de nanobuisjes bepaalt. De kwaliteit van deze buisjes is goed; erg geschikt voor een wetenschappelijke studie. Maar voor grootschalige productie is het wroeten tussen het ‘grafiet-afval’ om de buisjes er uit te vissen nog steeds veel te tijdrovend.
…of laten groeien op een voedingsbodem?
Bij de voorgaande twee technieken ging het om het afbreken van een groter materiaal naar iets kleins (top-down), maar het kan natuurlijk ook andersom: een molecuul vanaf de bodem opbouwen (bottom-up). Dat is het idee van chemical vapor deposition (CVD). Deze techniek laat koolstofnanobuisjes groeien, als gras voor een voetbalveld.
De voedingsbodem voor de buisjes wordt gevormd door een dunne metaalfilm van ijzer, nikkel of kobalt bovenop een plak silicium. Leg je deze laag in een buis met een temperatuur van 800 graden Celsius, dan zal de metaalfilm opbreken in hele kleine, metalen eilandjes: de ‘zaadjes’. Dan heb je nog het ingrediënt koolstof nodig. Dat wordt in de buis gebracht in de vorm van gas, zoals ethanol of methaan. De hitte breekt de gasmoleculen op in losse koolstofatomen die op hun beurt naar de eilandjes toebewegen. Hier groeit zo een buisje van koolstofatomen omhoog.
Met een andere metaalfilm kun je de diameter van de buisjes aanpassen en de lengte van de buisjes bepaal je door hoe lang je het experiment laat duren. Onder invloed van een elektrisch veld kun je de buisjes ook nog eens perfect omhoog laten groeien, zodat je een prachtig woud van nanobuisjes krijgt. Allemaal even lang, even dik en netjes geordend: dit is duidelijk de beste kandidaat om nanobuisjes op grote schaal te gaan produceren. De methode is alleen relatief nieuw en nog erg in ontwikkeling.
…of misschien zoals in het heelal?
Onlangs is er ineens een onverwachte, bijzondere methode bijgekomen. In het heelal worden ook koolstofnanobuisjes geproduceerd, vond Joseph Nuth van het NASA Goddard Space Flight Center toen hij samen met collega’s onderzocht hoe koolstof in de ruimte gerecycled wordt. Het bleek dat als stofdeeltjes grafiet in aanraking kwamen met koolstofmonoxide- en waterstofgassen er zowaar koolstofnanobuisjes geboren werden.
Een opmerkelijke vondst. Niet alleen heeft de natuur blijkbaar ook een manier gevonden om koolstofnanobuisjes te maken, er is bovendien geen metalen katalysator voor nodig zoals bij de bestaande technieken. Onduidelijk is nog of we op aarde ook met deze methode aan de slag kunnen en of het de huidige technieken op den duur zal vervangen. Dat moet diepgaander onderzoek gaan uitwijzen. Maar het is er zeker eentje om in de gaten te houden.
Wat vind jij van de veelbelovende nieuwe toepassingen van nanotechnologie? Brengt nanotechnologie een betere wereld, of zijn de risico’s te groot? Geef je mening in de NanoDiscussie van Kennislink!
Meer over koolstofnanobuisjes op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/nanobuisjes/koolstofnanobuis/index.atom", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}