Nanotuby

Uhlík a jeho sloučeniny jsou základním stavebním kamenem živé přírody, proto je tento prvek středem zájmu v řadě vědních oborů. Samotný uhlík je také velmi zajímavý. V přírodě se vyskytují tři formy uhlíku: diamant, grafit (tuha) a fulleren (uhlíková molekula ve tvaru kopacího míče). Nedávno byly připraveny další dvě formy uhlíku: grafen a uhlíkové nanotuby. Nanotuby dnes patří mezi nejstudovanější nanomateriály. Za svou popularitu vděčí svým netradičním vlastnostem a možnostem využití.

Mechanická pevnost uhlíkových nanotub je vlastnost, která fascinuje mnoho odborníků. Bylo změřeno, že uhlíková nanotuba je asi desetkrát pevnější než ocel. Zároveň je asi desetkrát lehčí. Je tedy jasné, jaký obrovský potenciál mají uhlíkové nanotuby pro konstrukci lehkých, a přitom velmi pevných součástek. Uplatnění mohou najít v leteckém či automobilovém průmyslu, ale i při výrobě sportovního vybavení.

Jak vypadá uhlíková nanotuba?

Uhlíkovou nanotubu si lze představit jako srolovaný list grafenu (obrázek 1). Průměr jednotlivých nanotub je, jak již sám název napovídá, velmi malý, a tak je pro jejich zobrazení nutno využít elektronové mikroskopy (obrázek 2). Jednotlivé nanotuby vytvářejí jakési provazy, které jsou dále vzájemně propleteny. Výsledný materiál pak vypadá jako černý papír (obrázek 3).

Je zřejmé, že grafen může být srolován mnoha různými způsoby, a lze tedy získat řadu různých uhlíkových nanotub o různých průměrech. Důležité je, že způsob, jakým grafen srolujeme, má zásadní vliv na vlastosti nanotub. Dají se získat nanotuby, které mají podobné vlastnosti jako kovy, či naopak nanotuby, které mají vlastnosti polovodičů. Důležité je, že vlastnosti dané nanotuby umíme předpovědet na základě teoretických výpočtů.

Srolováním listu grafenu získáme nanotubu s jednou stěnou. Kromě jednostěnných nanotub lze získat i vícestěnné. Ty se připravují snadněji, nicméně s rostoucím počtem stěn se jejich vlastnosti čím dál více podobají grafitu a tento materiál ztrácí svou jedinečnost. Výjimkou jsou dvojstěnné nanotuby. Jak již sám název napovídá, dvojstěnná nanotuba je složena pouze ze dvou tub, které jsou zasunuty jedna do druhé. Výhodou tohoto materiálu je, že lze ovlivňovat vlastnosti vnější i vnitřní nanotuby. To je zajímavé z vědeckého hlediska, ale i pro praktické aplikace. V současné době se například intenzivně studují možnosti využití uhlíkových nanotub pro zpevnění plastů. Pro dosažení kýženého efektu je nutné, aby byla nanotuba pevně svázána s vlákny daného plastu. To lze zajistit modifikací povrchu nanotub molekulami, které tvoří s plastem pevnou vazbu. Problém je, že v důsledku modifikace povrchu se zhoršují mechanické vlastnosti nanotuby. V případě dvojstěnné nanotuby lze modifikovat pouze vnější stěnu, mechanické vlastnosti vnitřních nanotub zůstávají beze změny.

Jak lze nanotuby připravit?

Uhlíkové nanotuby se zatím nepodařilo nalézt v přírodě. Je tedy nutné je syntetizovat. V současné době existují tři základní způsoby přípravy: elektrický oblouk, depozice chemických par a laserová ablace („odpaření“). Každý z těchto způsobů má své výhody i nevýhody.

Nejjednodušší a nejlevnější je příprava v elektrickém oblouku mezi dvěma uhlíkovými elektrodami. Takto připravené nanotuby jsou ovšem značně znečištěné grafitem. Je obtížné proces kontrolovat, a tedy se ani nedá vylepšovat. Druhým způsobem je depozice chemických par. Ta je založena na reakci zdroje uhlíku (např. ethanolu) při vysoké teplotě na katalyzátoru. Uvedená metoda je velmi rozšířená, neboť je opět poměrně jednoduchá, a navíc ji lze docela dobře kontrolovat. V závislosti na teplotě, katalyzátoru či zdroji uhlíku vznikají různé uhlíkové nanotuby (vícestěnné, jednostěnné, o různých poloměrech). Nastavením těchto parametrů lze získat nanotuby různé čistoty. Na druhé straně proměnlivost parametrů může vytvářet problémy. Je nutné provést stovky experimentů, než se podaří nalézt vhodné podmínky vedoucí k žádanému produktu. Třetí možností přípravy uhlíkových nanotub je laserová ablace. Metoda spočívá v tom, že se uhlíkový terčík ozařuje laserovými pulzy o vysoké energii. Reakci je nutné provádět při teplotě okolo 1000 °C a bez přítomnosti kyslíku. Náročnost metody je tedy více než zřejmá. Zásadním problémem je krátká životnost laseru, který je pro tuto metodu přípravy nanotub nezbytný. Cena takto připravených nanotub je proto mnohonásobně vyšší (přibližně 1000 eur/g) než v případě týchž nanotub připravených v elektrickém oblouku či depozicí chemických par. Na druhou stranu je touto metodou možné připravit nejčistší nanotuby a také volbou parametrů ovlivňovat průměr připravovaných nanotub. Ideální způsob přípravy nanotub zatím neexistuje, je vždy nutné přizpůsobit metodu přípravy konkrétní aplikaci.

Elektronické vlastnosti

Elektronické vlastnosti uhlíkových nanotub jsou pro jejich praktické aplikace důležité. Většina nanotub (dvě třetiny všech typů) má vlastnosti polovodičů, říkáme jim proto polovodivé nanotuby. Ty lze použít pro výrobu tranzistorů. Oproti křemíku, který se používá v tranzistorech dnes, snesou řádově větší proudové zatížení. Další jejich předností je běžná tloušťka jednostěnných nanotub, obvykle 1–2 nm, jsou tedy řádově menší než nejmenší křemíkové tranzistory. Je zřejmé, že by použití uhlíkových nanotub v tranzistorech řádově zvýšilo rychlost i výkon počítačů (navzdory jejich miniaturizaci).

Jak již bylo zmíněno, typický průměr uhlíkové nanotuby je asi 1,5 nm, jejich délka však může být až několik centimetrů. ¹⁾ Jinými slovy nanotuby mají jeden rozměr (průměr) srovnatelný s velikostí molekul a druhý (délku) odpovídající velikosti makroskopických objektů. K „rozsvícení“ tradičních displejů s velkou svítivostí jsou potřeba elektrony, které dopadají na citlivý materiál. K získání takových elektronů je potřeba poměrně vysoké napětí (1000 V) nebo vysoká teplota. V případě uhlíkových nanotub je však díky velmi malému průměru a speciálním vlastnostem možné dosáhnout téhož efektu při pokojové teplotě a s napětím pouhých několika desítek voltů.

Dopování uhlíkových nanotub

Dopování ²⁾ křemíku je nezbytné pro jeho použití v tranzistorech. Podobně i dopování nanotub je velmi důležité pro praktické aplikace. Dopování může být uskutečněno pomocí různých chemikálií nebo elektrochemicky. Ke studiu efektů dopování na vlastnosti uhlíkových nanotub je praktičtější využít elektrochemii. Pomocí elektrochemie je možné snadno a poměrně přesně řídit míru dopování. Jinými slovy je možné změřit, kolik elektronů bylo do nanotuby přidáno, nebo z ní naopak odebráno. Dopování má zásadní vliv na vlastnosti nanotub a jeho důsledky lze studovat pomocí řady metod, například optickou nebo Ramanovou spektroskopií.

Optická spektroskopie ve viditelné, popřípadě blízké infračervené oblasti měří vlnovou délku světla, které je pohlcováno danou látkou. Dopováním uhlíkových nanotub lze ovlivnit, zda bude světlo o určité vlnové délce absorbováno. Tedy zda bude nanotubou procházet, nebo bude pohlceno.

Velkým pomocníkem pro studium uhlíkových nanotub je rezonanční Ramanova spektroskopie. Tato metoda měří intenzitu charakteristických vibrací molekul obsažených v měřeném materiálu. Z Ramanových spekter lze získat užitečné informace o vlastnostech uhlíkových nanotub, o kovovém či polovodivém charakteru nanotuby, jejím poloměru či míře dopování. Jak již sám název metody napovídá, spektra jsou rezonančně zesílena.

Toto zesílení je řádově desetitisícinásobné, a proto je možné měřit i velmi malé množství vzorku. V určitých případech může být zesílení dokonce tak obrovské, že lze získat spektra i jedné nanotuby. K získání Ramanových spekter je nutno ozářit vzorek laserovým paprskem, přičemž použití laserových paprsků o různé vlnové délce umožní získat informace od různých nanotub. Pomocí červeného laseru tak například získáme spektra kovových nanotub s průměrem okolo 1,5 nm, použitím modrého laseru pak spektra polovodivých trubic o témže průměru. To velmi usnadňuje interpretaci spekter vzorků uhlíkových nanotub obsahující téměř vždy směsi různých typů.

Uhlíkové nanotuby mají řadu dalších fascinujících vlastností,3 ale už z toho, co jsme zmínili, je jasné, že je lze plným právem označit jako materiál budoucnosti.

Ladislav Kavan a Martin Kalbáč získali za přínos k výzkumu uhlíkových nanotub v letošním roce Cenu Akademie věd ČR.