Sissejuhatus süsinik- nanotorude maailma Kristel Kosk Juhendaja: Jevgeni Šulga, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut Eesti Nanotehnoloogiate Arenduskeskus 1
1. Sissejuhatus nanomaailma 2. Süsinik 3. Süsinik-nanotorud 4. Süsinik-nanotorude võimalikud rakendused 2
Mis on nano? http://msed340nmu.blogspot.com/2011/04/nanorobotics.html Üks nanomeeter on üks miljardik meetrit ehk 10-9 m. Nii väikest numbrit võib olla raske ette kujutada. Selle juures on abiks suuruse võrdlemine tuttavate objektidega. 3
Võtame näiteks raamatulehe. paksus on keskmiselt 100 nanomeetrit. Selle 000 Inimese juuksekarva diameeter on keskmiselt 10 000 nanomeetrit. See on ka ligikaudu väikseim mõõde, mida saab palja silmaga veel näha. Tuleb meeles pidada, et objekt on nanoskaalas siis, kui ta üks mõõde on 1 ja 999 nanomeetri vahel. Järelikult ei ole toodud näited nanoobjektid. http://www.psmicrographs.co.uk 4
http://www.nano.gov/html/about/home_about.html 5
Kui objektid on väiksemad kui 100 nanomeetrit, võivad neil esineda ootamatud keemilised ja füüsikalised omadused. Kui makroskaalas võib lõigata kulla tükki väiksemaks ja väiksemaks ilma, et sellest tema värv, sulamistemperatuur ja teised omadused muutuksid, siis väiksematel kui 100 nm osakestel sõltuvad need omadused tugevalt nende suurusest. Allolevalt pildilt on näha, kuidas sõltub kulla nanoosakeste värvus nende suurusest. NorthwesternUniversity NorthwesternUniversity 6
Nanoskaalas võivad aine keemilised (reaktsioonivõime, süttivus jne) ja füüsikalised omadused (sulamistemperatuur, juhtivus jne) muutuda hoopis teistsuguseks, kui nad on seda makroskaalas. Kulla sulamistemperatuurii sõltuvus tema suurusest Nanoscale materials in chemistry, by K. J. Klabunde, 2001 7
Kuidas need imelikud omadused tekivad? www.nanoyou.eu Võtame risttahuka ja hakkame seda järjest väiksemateks tükkideks lõikama... 8
Näeme, et mida väiksem on tükk, seda suurem on pindala... www.nanoyou.eu Nanoefektid tulenevadki eripindala (ruumala ja pindala suhe) tohutust suurenemisest nanoskaalas. 9
Süsinik on mittemetalliline keemiline element, mis on keemiliselt väga stabiilne. Ta on üks 15. levinuimast materjalist Maal ja neljas Universumis. Teemant Grafiit http://en.wikipedia.org/wiki/file:diamond-and-graphite-with-scale.jpg Looduses esineb süsiniku allotroopidest teemantit ja grafiiti, mis koosnevad süsiniku sp 3 ja sp 2 sidemetega aatomitest. 10
Grafiit Läbipaistmatu, elektrit juhtiv ja pehme materjal. http: ://en.wikipedia.org/wiki/graphite Kasutatakse elektroodide, pliiatsite, määrdeainete jms valmistamiseks. http://www.a-m.de/englisch/lexikon/graphit-bild1.htm 11
Teemant Erinevalt grafiidist on teemand läbipaistev, ja kõva dielektriliste omadustega aine. http://www.vectordiary.com/illustrator/illustrator-tutorial-the-perfect-diamond/ See on kõige kõvem looduslik mineraal, mida kasutatakse lõikamiseks, puurimiseks ja lihvimiseks. http://www.diamonds-are-forever.org.uk/diamond-structures.htm 12
http://www.cartoonstock.com/directory/n/nanotech.asp 13
Inimese poolt loodud süsiniku allotroobid http://www.nature.com/nmat/journal/v9/n11/full/nmat2885.html Fullereenid, süsinik-nanotorud, grafeen ja seni avastamata materjalid. 14
http://www.nanosource.com/innovation.html Süsinik-nanotoru= rulli keeratud grafeeni leht Nanotoru läbimõõt nanoskaalas, pikkus võiks olla millimeetrites 15
16
17
Süsinik-nanotoru tüübid Üheseinaline süsinik-nanotoru http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/nist-reveals-reliability-problems-withcarbon-nanotubes-in-electronics http://www.topnews.in/usa/studies-say-carbon-nanotubes-could-be-dangerous-asbestos-2438 Mitmeseinaline süsinik-nanotoru Erinev kiraalsus http://phycomp.technion.ac.il/~talimu/structure.html 18
Süsinik- nanotorude omadused Tänu oma struktuuri ja sellest, et pikkus on diameetrist miljard korda suurem, tekib palju huvitavaid omadusi. 1. Väga tugevad (Youngi moodul 1,8 TPa) ehk siis 20 korda tugevam kui teras Äkki saame tulevikus süsiniknanotorudest kosmoseliftiga maailmaruumi avastama minna? 19 http://bbs.chinadaily.com.cn/viewthread.php?tid=610819&fpage=1&highlight=space
2. Kerged (massitihedus 1,3 g/cm 3 ) 1 liiter süsinik-nanotorusid on 6 korda kergem kui raud Äkki tulevikus lendame süsinik-nanotorudest tehtud lennukites? Või sõidame ülikergete nanotorudest jalgratastega? http://nanotechweb.org/cws/article/tech/22597 20 http://travelblogland.com/airline-news/estonian-air-punctuality-hits-europe-record.html
3. Head elektrilised omadused (voolutihedus 10 9 A/ cm 2 ) Teoreetiliselt võivad olla10000 korda parem juht kui vask http://io9.com/5489763/two-technologies-that-are-about-to-completely-transform-electricity http://www.reallynatural.com/archives/alternative-energy/solar_panels_in_the_sahara_des.php Äkki tulevikus on saame Eestis energia Sahara kõrbes paiknevatelt päikesepaneelidelt? 21
Väga tugevad fiibrid http://cosmiclog.msnbc.msn.com/_news/2011/01/12/5825181-yarn- -goes-high-tech-and-nano-small 22
Slide 22 1 Igal pool, kus vajatakse tugevaid ning kergeid materjale, kuluvad nanotorud marjaks ära. Kuid enne tuleb neid valmistada senisest palju suuremates kogustes. ; 6.04.2011
Olgu loodus meile eeskujuks. Kuidas geko mööda lage kõnnib? http://www.treehugger.com/files/2005/08/gecko_adhesive_2.php 23
http://www.photonics.com/article.aspx?aid=30450 24
1 http://www.newswise.com/articles/nanotube- -adhesive-sticks-better-than-a-geckos-foot Võime teha väikesed nanokarvakesed nanotoru metsast. 25
Slide 25 1 Several people have tried to use carbon nanotube films and other fibrous structures as high-adhesive surfaces and to mimic gecko feet, but with limited success when it comes to realistic demonstrations of the stickiness and reversibility that one sees in gecko feet, Ajayan said. We have shown that the patchy structures from micropatterned nanotubes are essential for this unique engineering feat to work. The nanotubes also need to be the right kind, with the right dimensions and compliance. ; 6.04.2011
Nanotoru kõlar http://techcrunch.com/2008/11/17/carbon-nanotube-speakers-are-a-thousandt th-the-width-of-a-human-hair- have-no-bass/ 26
Juhtmevaba kõlar http://nanopatentsandinnovations.blogspot.com/2010/03/carbon-nanotube-speakers-powered-by.html 27
Elektroodide materjalidena kütuselementides või superkondensaatorites Äkki tulevikus sõidame elektriautodega, mis sisaldavad süsiniknanotorusid? http://io9.com/rinspeed/ 28 http://jalopnik.com/343003/the-2500-tata-nano-unveiled-in-india
Kunstlihastes http://nanopatentsandinnovations.blogspot.com/2009/11/carbon-nanotube-artificial-muscles-for.htm ml 29
Uue generatsiooni päikesepatareid http://www.purelysolarpower.com/ 30
Ja veel palju-palju muud... http://vadlo.com/cartoons.php?id=21 31
Tänan tähelepanu eest! Küsimusi? 32