Je leest:

Ultra-efficiënt stroom tappen lijkt nabij

Ultra-efficiënt stroom tappen lijkt nabij

Auteur: | 5 augustus 2011

Koolstofnanobuisjes zijn gedroomde hoogspanningskabels dankzij hun goede geleiding en lichte gewicht. Problemen bij de massaproductie van de buisjes blokkeren nu nog de weg naar deze eeuwige roem, maar twee doorbraken in korte tijd doen vermoeden dat het elektriciteitsnet van de toekomst nog maar een kwestie van tijd is.

Beige Alert / Flickr

Ons elektriciteitsnet is niet perfect. Een paar procent van alle elektriciteit die door de hoogspanningskabels loopt, raken we kwijt door weerstand. Dat lijkt weinig, maar vanwege de kilometerslange kabels is dat opgeteld een forse hoeveelheid energieverlies. Als we echter het koper – dat nu voor elektriciteitskabels gebruikt wordt – zouden vervangen door koolstofnanobuisjes verliezen we nagenoeg geen energie meer.

Tien keer efficiënter

Koolstofnanobuisjes zijn opgerolde velletjes koolstofatomen. Voor het blote oog zijn ze onzichtbaar: ze hebben een diameter van een paar nanometer (een miljardste meter), maar ze kunnen wel miljoenen nanometers lang zijn. Koolstofnanobuisjes hebben bijzondere eigenschappen: ze zijn erg licht van gewicht, sterk en ze kunnen elektriciteit en warmte goed geleiden. Het lijkt erop dat we ze dan ook in uiteenlopende toepassingen gaan terugvinden, zoals fietsframes, rubber, zonnecellen of sensoren. En nu misschien dus ook wel als elektriciteitskabel.

Om als elektriciteitskabel te kunnen dienen, moet een koolstofnanobuisje bestaan uit een enkel velletje koolstof. Dat noemt men enkelwandig (je hebt namelijk ook meerwandige nanobuisjes). Daarbij is van belang hoe dat koolstofvel precies is opgerold. Voor elektriciteitskabels zoekt men naar koolstofnanobuisjes die op de zogenoemde armchair manier zijn opgerold (zie kader hieronder). In dat geval gedraagt het nanobuisje zich als een puur metaal. Kabels van zulke buisjes zouden tien keer efficiënter stroom geleiden dan de huidige kabels van koper.

Drie smaken

Net als een vel papier, kun je een koolstofvelletje op verschillende manieren oprollen. Netjes, zodat de randen mooi aansluiten, of ‘scheef’ zodat je een soort spiraal krijgt. In het geval van koolstofnanobuisjes bepaalt ‘de hoek’ waarover je rolt of het buisje geleidt als metaal, halfmetaal of halfgeleider. Je kunt drie soorten nanobuisjes onderscheiden, afhankelijk van hoe het buisje is opgerold: armchair, zig-zag en chiral. Bij de eerste twee typen is het velletje netjes opgerold, maar bepaalt de schikking van atomen langs een doorsnede het verschil. Zie de rode lijn links in de afbeelding: bij de bovenste kun je er een ‘leunstoel’ (armchair_) in zien, bij de middelste zie je duidelijk een kartelrand (_zig-zag). Het onderste nanobuisje in de afbeelding is de chiral variant, daarbij is het koolstofvel ‘scheef’ opgerold.

Helaas is ultra-efficiënt stroom tappen nu nog niet aan de orde. De weg naar een elektriciteitsnet van koolstofnanobuisjes ligt vol obstakels. Eén daarvan is dat er nog geen manier bestaat om puur nanobuisjes van de armchair variant te maken. Het produceren van koolstofnanobuisjes gaat middels een ingewikkeld chemisch proces, waarbij een grote brei van allerlei soorten en maten nanobuisjes ontstaat. Het komt er vervolgens op neer om de gewenste – in dit geval armchair – nanobuisjes hieruit te vissen. Dat is knap lastig, als je bedenkt dat een nanobuisje 50.000 keer dunner is dan een menselijke haar.

Sleutel en slot

Onderzoekers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben daar nu echter verandering in gebracht: in een onlangs verschenen publicatie in de Journal of the American Chemical Society (JACS) beschrijven ze een techniek om met behulp van DNA-moleculen de armchair variant van de koolstofnanobuis te filteren uit de klonterige ‘nanobuisbrei’. Twee jaar geleden lukte het deze groep al om op deze manier halfgeleidende nanobuisjes eruit te pikken. En nu hebben ze met een vergelijkbare techniek de armchair variant te pakken.

De DNA-streng wikkelt zich om de nanobuis heen als een slang om zijn prooi.
Roxbury, Jagota / NIST

Wat is het idee? Het team heeft het DNA-molecuul zodanig vormgegeven dat het zich alleen kan binden aan de armchair nanobuisjes. Het DNA-molecuul wikkelt zich in dat geval om de nanobuis heen, waarbij de DNA-basenparen op dezelfde manier met de nanobuisjes binden als ze zouden doen in een dubbele DNA-streng.

Volgens onderzoeksleider Ming Zheng is het vergelijkbaar met een sleutel-en-slotsysteem. “De armchair nanobuis is de sleutel die past in de DNA-structuur”, zegt hij in een begeleidend persbericht. “Het is een soort moleculaire herkenning.” Met chromatografie – een veelgebruikte chemische scheidingstechniek – kun je dan vervolgens de door DNA omwikkelde armchair buisjes filteren uit het mengsel.

Gecontroleerde groei

We beschikken dus nu over een techniek om aan de armchair nanobuisjes te komen, maar dat zijn er nog steeds maar heel weinig. Lang niet genoeg om er een volledige kabel van te maken. En dat is het volgende obstakel voordat een elektriciteitsnet van nanobuisjes werkelijkheid kan worden.

Je ziet een enkelwandig koolstofnanobuisje voor (boven) en na (onder) behandeling. Je ziet duidelijk dat het buisje is gegroeid.
Barron Lab / Rice University

Er is behoefte aan een manier om een vast aantal nanobuisjes grootschalig te kopiëren. Ze moeten bij wijze van spreken ‘van de lopende band’ kunnen rollen. Gelukkig is ook voor dit probleem onlangs een stap in de goede richting gezet. Ditmaal door een Amerikaanse onderzoeksgroep van Rice University.

In een publicatie in het tijdschrift Nano Letters beschrijven zij een manier om nanobuisjes gecontroleerd te laten ‘groeien’. Door toevoeging van een chemische katalysator van ijzer en kobalt op de uiteinden van de nanobuisjes en de juiste afstemming van temperatuur en druk wisten ze de nanobuisjes aanmerkelijk te verlengen. Van een verzameling nanobuisjes ging maar liefst negentig procent over tot een groeispurt.

Daarbij moet echter wel de kanttekening geplaatst worden dat het onderzoeksteam werkte met een mengsel van verschillende soorten nanobuisjes. Onderzoeksleider Andrew Barron denkt echter dat met een portie armchair nanobuisjes vergelijkbare resultaten geboekt kunnen worden. Nog dit jaar hoopt hij daarmee te kunnen beginnen.

Dromen

Natuurlijk, het verlengen van een handjevol nanobuisjes maakt nog geen elektriciteitskabel, maar het laat wel zien dat het vervaardigen van zo’n kabel technisch mogelijk is. Het lijkt nu met name een kwestie van tijd. Als het aan het team van Barron ligt, beschikt men ooit over een oven waarin je nanobuisjes kunt maken en laten groeien. Als we toch aan het dromen zijn: mochten die elektriciteitskabels ervan komen, dan is het een kleine stap naar kabels voor die gedroomde ruimtelift, nietwaar?

Bronnen:

  • X. Tu e.a., Evolution of DNA Sequences Toward Recognition of Metallic Armchair Carbon Nanotubes, Journal of the American Chemical Society (21 juli 2011). DOI: 10.1021/ja205407q
  • A. Orbaek e.a., Increasing the Efficiency of Single Walled Carbon Nanotube Amplification by Fe–Co Catalysts Through the Optimization of CH4/H2Partial Pressures, Nano Letters (22 juni 2011). DOI: 10.1021/nl201315j

Lees 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"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 augustus 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.