Kolnanorör röner stort intresse för både vetenskaplig forskning och kommersiella applikationer på grund av materialets unika egenskaper. En ny avhandling vid Karlstads universitet handlar om vad som påverkar materialets olika egenskaper.
- Det saknas idag mätstandarder och klassificeringssystem för kolnanorör, säger Mattias Flygare, nybliven doktor i fysik som precis publicerat sin avhandling. Jag har studerat vilken effekt kristalliniteten har på olika egenskaper, som rörens böjstyrka och elektrisk ledningsförmåga. Vi vet att om rören hade en perfekt atomstruktur så skulle dessa egenskaper vara fantastiskt goda, men verkligheten är oftast inte perfekt. Istället ser vi att rörens väggar består av ett ”lapptäcke” av olika stora ”flagor” med fin atomstruktur. Hur stora dessa kristallflagor är, tillsammans med andra avvikelser från det perfekta, ger materialet olika egenskaper.
Kolnanorör är mycket tunna lätta ihåliga rör som består av kolatomer, där väggen på röret är endast en atom tjock. Rörväggen är som ett ark av grafit som rullas till en cylinder, med hexagonala gallerverk som utgör arket. På grund av sina unika mekaniska, elektriska och termiska egenskaper ger kolnanorör stora möjligheter för vetenskaplig forskning och industriella och kommersiella applikationer. Det finns en mycket stor potential för materialet till exempel i kompositindustrin, men användningsområdet är bredare än så.
Flagor av perfekta mönster
- Jag har studerat hur mycket olika oregelbundenheter i atomstrukturen påverkar materialets egenskaper, säger Mattias Flygare. För att titta på atomstrukturen har jag använt vårt transmissionselektronmikroskop här på Karlstads universitet. Mikroskopet använder elektronstrålar istället för ljus för att ”genomlysa” materialet, det gör det möjligt att se ner till nanometernivå, alltså en miljarddels meter, vilket är ofattbart litet. Mina studier visar bland annat att egenskapernas beroende av atomernas regelbundenhet inuti rörväggarna inte alltid är helt linjär, och det finns kritiska punkter där egenskaperna kan bli drastiskt mycket bättre bara genom att öka kristalliniteten lite grann. Det här är ett mycket intressant resultat som visar på behovet av mer forskning och framtagandet av ett klassifikationssystem för kolnanorör, så att rätt sorts rör kan användas till rätt syfte, och för att vidareutveckla produktionsmetoderna för rören.
Transmissionselektronmikroskop
Med hjälp av denna teknik kan man komma förbi det synliga ljusets upplösningsgräns, som är omkring en mikrometer, och ner till cirka 100 pikometer, det vill säga 0,1 nanometer, vilket möjliggör upplösning av enskilda atomer. Inuti mikroskopet på universitetet finns också möjligheten manipulera kolnanorören med en specialbyggd sond som kan kontrolleras på nanometernivå.
- Vårt elektronmikroskop finns i hus 21, men är helt vibrationsisolerat från resten av huset, säger Mattias Flygare. Om mikroskopet hade kontakt med huset, skulle det inte krävas mer än att en person passerade i korridoren utanför för att vibrationerna skulle göra bilden otydlig och oanvändbar.
Användningsområden för kolnanorör
Idag hittar man applikationer för kolnanorör i många olika produkter, och forskare fortsätter att utforska kreativa nya sätt att använda materialet. Kolnanorör återfinns i olika kompositmaterial till exempel i sportutrustning som tennisracket och cyklar, för dess förmåga att förbättra hållfastheten men samtidigt minska vikten. På grund av dess elektriska ledningsförmåga är det också användbart i all möjlig elektronik, och det finns även mer exotiska användningsområden på horisonten.
Hela avhandlingen finner du här:
The influence of crystallinity on the properties of carbon nanotubes
