Techblog - Nano

Extrémně pružné nanotrubky

Nanotrubky jsou známé pro svou extrémní pevnost. Naproti tomu jejich pružnost je malá. Nyní se vědcům podařilo jednu nanotrubku natáhnout na téměř trojnásobek původní délky.

Natahovací nanotrubka

Zvětšit
Průběh "trhací zkoušky" nanotrubky včetně diagramu závislosti protékajícího proudu a prodloužení na čase
Credit: LLNL

Při jednom experimentu vědci zaznamenali, že se nanotrubka, kterou manipulovali, výrazně natáhla. Zdálo se jim to zvláštní, jelikož obvykle ji lze prodloužit o pouhých 6 % původní délky. Jev tedy blíže prozkoumali. Vytvořili 24 nm dlouhou nanotrubku rozlomením delší vícestěnné v elektronovém mikroskopu. Natahovali ji piezoelektrickým manipulátorem. Napětí mezi konci nanotrubky bylo 2,4 V a na začátku jí protékal proud 80 µA. Než praskla, byla dlouhá celých 91 nm. Tomu odpovídá relativní prodloužení 280 %. Za povšimnutí stojí také ohromné zmenšení průměru z původních 12 nm na finálních 0.8 nm. V okamžiku před porušením již nelze mluvit o nanotrubce, ale spíše o shluku uhlíkových atomů. Typická "plástvová" struktura nanotrubky byla ta tam a atomy byly uspořádány náhodně.

Čím to je, že obvykle mají nanotrubky tažnost 6 %, z teoretických výpočtů vyplývá 20 % a nyní dosáhneme 280 %? Může za to vysoká teplota. Průchodem proudu se zahřívá a vědci vypočetli, že by nanotrubka měla mít asi 2000 °C. Takovou teplotou se aktivují poruchy v mřížce, atomy mají velkou vlastní kinetickou energii, tudíž je velmi snadná difuze, vazba na původní mřížku je slabá, a tak je nanotrubka ochotná se deformovat. Natažením, či spíše rozpadem krystalické mřížky, se změní její elektrické vlastnosti. Zatímco na začátku na začátku jí protékal proud, před porušením klesnul pod hranici měřitelnosti. Vědci soudí, že tímto mechanickým namáháním nanotrubka přechází od elektrické vodivosti k polovodivosti.

Nanotrubky se více zahřívají uprostřed

S nečekanou průtažností nanotrubky okrajově souvisí i objev teorie, která vysvětluje, proč se při průchodu proudu delší nanotrubka poruší dříve než krátká. Není to tím, že by se krátká méně zahřívala, ale proto, že lépe odvádí teplo. Z jejích konců totiž teplo odchází výrazně snadněji než z válcové stěny. Tím se také vysvětluje, proč se při proudovém přetížení poruší nejdříve uprostřed.

K čemu to je v praxi

Výzkumníci navrhují přidat nanotrubky do konstrukční keramiky, kde by mohly zvýšit její houževnatost. Kromě toho je elektrické a tepelné vlastnosti předurčují k využití v elektronice. Při aplikaci změny elektrických vlastností při mechanickém namáhání jako výkonné členy, nebo jako pouhé pasivní propojky v procesorech. Opět se máme na co těšit.

Další informace

• Superplastic carbon nanotubes (19. 1. 2006) – Článek v Nature 439 oznamující objev superplastických nanotrubek
• Superheated nanotubes gain strength as they stretch, researchers find (18. 1. 2006) – Tisková zpráva k témuž
• Carbon nanotubes go superplastic (19. 1. 2006) – Článek o tomtéž na Nanotechweb.org

ISO standardizuje nanotechnologii

Mezinárodní organizace pro normalizaci ISO začala brát v úvahu nanotechnologii jako obor hodný normalizace. Nastal už pro to správný čas? Nebudou normy spoutávat bouřlivý rozvoj a budou mu vůbec stačit?

Nanotechnologie jako plnohodnotný obor

To, že se ISO začalo normalizací (standardizací) nanochnologie zabývat neznamená v současnosti nic víc, než že ji již respektuje jako průmyslový obor, který má budoucnost a uplatnění. Standardizování nanotechnologií je vhodné pro jejich snadné rozšíření z laboratoří vědců do masové výroby. Tak daleko zatím (až na drobné výjimky) nejsme. ISO také nijak daleko nepokročila. Stvořila pouze tři obligátní pracovní skupiny, které budou studovat následující témata:

• Terminologie
• Měření a charakterizace
• Zdraví, bezpečnost a životní prostředí

Jaký výstup mají pracovní skupiny přinést, jsem nezjistil. Ale obecně deklarované cíle jsou velmi odvážné. Standardizace by měla podle ISO zahrnovat:

Pochopení a ovládnutí hmoty a procesů v nanoměřítku v rozměrech obvykle pod 100 nanometrů v jednom nebo více rozměrech kde se začíná projevovat fenomén změny vlastností materiálů, který umožňuje nová praktická využití.

Využití nanomateriálů, jejichž vlastnosti se liší od vlastností jednotlivých atomů, molekul a materiálu v běžné velikosti pro vytvoření lepších materiálů a také zařízení a systémů, které by využily těchto nových vlastností.

Z prohlášení tedy vyplývá, že všichni vědci světa zabývající se nanotechnologii přijdou o práci, protože vše, co od ní očekáváme, vyřeší standardizace. Ale buďme raději nad věcí a považujme to za obvyklou rétoriku tiskových zpráv.

Co přinese standardizace?

V počátečních fázích to bude pouze jednotné názvosloví. Tento problém vědce v současnosti příliš netrápí, jelikož jednotlivé výzkumné týmy jsou v častém kontaktu, odborné články jsou snadno dostupné, a tak problémy s dorozuměním nejsou závažné. Škodlivost nanomateriálů je zatím neprobádána, ale určitě se dočkáme pravidel pro nakládání s nanomateriály s ohledem na zdraví a životní prostředí. A někdy přijde i doba, kdy budeme nakupovat standardizované jednostěnné nanotrubky se střední délkou jeden mikrometr a čistotou 99,99 %.

Je dobré si připomenout, že téměř všechny normy jsou nezávazné (Kromě bezpečnostních, které si každý stát sám určí.) a k jejich dodržování firmy nutí pouze tržní prostředí. Firmy ani vědci se nenechají spoutat normami, které jim nepřinesou žádný zisk. ISO se tedy musí hodně snažit. Nastoupená cesta normalizace je správná a musíme doufat, že někdo příliš aktivní nevymyslí nějaká nesmyslná omezení, která by zpomalila současný bouřlivý rozvoj. Jak se asi s normalizací vypořádá česká nanotechnologie?

Pěna z nanotrubek

Úžasné nanotrubky našly neobvyklé použití jako pěna s obdobnými vlastnostmi jako běžná izolační pěna. Má samozřejmě něco navíc, ale není využívána vysoká pevnost nanotrubek, nýbrž jejich ohebnost.

Dobrá stlačitelnost i pevnost

Na zatížené nanotrubkové pěně se vytvoří pravidelné vlnky
Credit: Cao/RPI

O výrobě pěny se vědci v tiskové zprávě příliš nezmiňují. Je uvedeno pouze to, že nanotrubky byly vytvořeny metodou ukládání par (CVD). Ať už pěna vzniká jakokoliv, její vlastnosti jsou netradiční. Porezita (objev vzduchu v pěně) je 87 % a pevnost v tlaku se pohybuje kolem 15-ti megapascalů, zatímco obvyklá polyuretanová pěna, který se používá například pro izolaci staveb má pevnost asi 30 kilopascalů – tedy 500-krát menší. Dovolím si poznámku, že pevnost pěny v tlaku silně závisí na tom, jak ji definujeme, tedy při jaké deformaci pěny změříme váhu, kterou unese. Pro srovnání mezi materiály však takové hodnoty dostačují. I při této vysoké pevnosti je velmi pružná, což znamená, že je možné ji vratně deformovat v širokém rozsahu – lze ji stlačit až na sedminu původního rozměru.

Průběh stlačování a uvolňování pěny z nanotrubek
Credit: Cao/RPI

V několika prvních desítkách stlačení si pěna trochu "sedne", ale v dalších deseti tisících cyklů zůstane stabilní. Při odtížení se rychle vrací na původní rozměr. Během experimentů se pěna nikdy nezbortila ani nezlomila. Za tyto zajímavé vlastnosti může to, že se nanotrubky při stlačení nedeformují náhodně, nýbrž vytvoří pravidelné vlny, jak je možné vidět na obrázku výše. Nanotrubková pěna může být využita jako dobrá tlumící vrstva pohlcujíce energii například dopadajících těles v různých zařízeních. Vzhledem k výborné chemické odolnosti ji lze použít i tam, kde by se běžné pěny rozpustily.

Porovnání s jinými nanotrubkovými materiály

Jelikož se nám stále nedaří ve velkém vyrábět souvislé dlouhé nanotrubky, snažíme se z nich dostat co nejvíce pomocí kompozitních materiálů nebo "spletenců" nanotrubek, kde jsou vázány relativně slabými mezimolekulárními silami. Spřádané vlákno z nanotrubek je sice dlouhé, ale nepřináší žádné převratné vlastnosti. Mnohem zajímavější je průhledná fólie s výbornými mechanickými vlastnostmi a nízkou hmotností, která se možná v praxi uplatní. Rozdíl vlastností mezi fólií a pěnou je značný. Nelze pominou to, že jejich aplikace se zásadně liší, ale srovnejme fólii s vysokou hustotou (měrnou hmotností) a pěnu s nízkou, fólii s vysokou pevností v tahu a pěnu s výbornou elasticitou. Stále se jedná o tentýž materiál bez významného množství přísad a pouze to, na jakou vzdálenost jsou nanotrubky k sobě stlačeny rozhoduje o tak významné změně vlastností. Uvidíme, čím nás nanotrubky překvapí příště.

Pozn. Nepleťte si pěnu z nanotrubek s uhlíkovou nanopěnou. Jde o něco úplně jiného a má to nezajímavé mechanické vlastnosti, ale zajímavé magnetické vlastnosti.

Jak zjistíme mechanické vlastnosti nanotrubek?

Nanotrubky a jiné útvary velikosti nanometrů nás fascinují zejména svými mechanickými vlastnostmi. Pevnost nanotrubek je stokrát větší než u oceli při mnohem menší hmotnosti. Jak jsme schopni takový malý útvar natáhnout, abychom zjistili, kolik vydrží?

Trhací stroj pro nanotrubky

Vědci sestavili zařízení (PDF 512 kB), které zcela nahrazuje v nanometrové škále běžné stroje pro zkoušení materiálů v tahu – takzvané trhačky. Nyní se jim ho podařilo zmenšit do té míry, že je možné průběh natahování pozorovat přímo pod elektronovým mikroskopem. Můžeme v podstatě zaznamenat přetržení nanotrubky v přímém přenosu. Samozřejmě nemusíme trhat jen nanotrubky či jiné makromolekuly, ale také organická vlákna jako např. DNA.

Jak přístroj vypadá a funguje?

Zkoušený vzorek se upevní do "čelistí". V jedné čelisti se měří tahová síla, které je vzorek vystaven a druhá způsobuje ono natahování. Vzdálenost elektrod se mění pomocí tepelné dilatace (natahováním) části pohyblivé čelisti, která je pevně spojena s rámem. Jak se zvyšuje teplota, zvětšuje se vzdálenost jedné čelisti od druhé, a tím se se vzorek natahuje. Přístroj vyvine sílu až několika milinewtonů.

Zvětšit
Schéma trhacího zařízení

Sílu působící na vzorek měří kapacitní senzor zatížení na pevné čelisti. Funguje tak, že při změně napětí (mechanického – což je síla vztažené na plochu) se změní elektrické vlastnosti činného prvku senzoru, a tak se změní i kapacita kondenzátoru z níž určujeme sílu, kterou je vzorek natahován s přesností na nanonewtony.

Velkým problémem při testování nanomateriálů je přichycení vzorků. Manipulace s nimi je velmi obtížná. Vědci pro ni použili manipulátor, který je součástí elektronového mikroskopu a paprsek iontů, jímž byli schopni testovaná materiál uříznout na požadovanou délku. Potom je k čelistím připevnili nanesením vrstvičky platiny.

Změříme všechny nanomateriály

Když můžeme změřit pevnost v tahu libovolných materiálů v rozměrech nanometrů, budeme moci vybrat ty pravé pro dané použití. Při konstrukci jakýchkoliv zařízení se hledí na vlastnosti materiálů, ale v nanotechnologii zatím tvoříme z toho, co právě máme a až poté hledáme, na co by se vyrobený nanoútvar dal použít. Když však budeme znát všechny důležité vlastnosti nanomateriálů, budeme si moci konstruovat tak, jak je běžné v milimetrových a větších měřítcích. Nejdříve navrhovat účel a až potom provedení. Změní se celý náš způsob uvažování o nanovýrobě a vznikne nový průmysl. Budeme mít stroje, které budou umět manipulovat se shluky atomů stejně běžně, jako dnes obrábíme ocel. A uskutečníme oblíbenou vizi toho, že nanostroje přemění během několika hodin hromadu šrotu ve špičkový letecký motor nebo cokoliv jiného.

Nanotrubky s diamantovým povlakem, nejtvrdší materiál světa a torzní pružina

Ve světě nanotrubek se objevilo několik novinek. Byly vyzkoušeny jako pružiny, nanesli jsme na ně povlak diamantu a také jsme z nich vyrobili materiál tvrdší než diamant.

Materiál tvrdší než diamant z nanotrubek a fullerenů

Byl vytvořen materiál, který je schopný poškrábat diamant tím, že výzkumníci směs fullerenů (C₆₀ – uhlíková molekula ve tvaru kopacího míče) a nanotrubek dali pod tlak 200 atmosfér a zahřáli na asi 2300°. Vzniklý materiál je o 0,3 % hustší než diamant a také tvrdší. Tvrdost materiálu nevzniká tím, že by atomy měly silné vazby přímo mezi sebou, ale tím, že jsou fullereny a nanotrubky mezi sebou důkladně propleteny. Objev to není nový, ale vědci se až nyní dostali k detailnějšímu prozkoumání vlastností materiálu.

Využití se najde spousta. Nasnadě je zejména obrábění běžných diamantů nebo obrábění jiných těžko obrobitelných materiálů díky tomu, že nový supertvrdý materiál je teplotně velmi stabilní.

Torzní pružina z nanotrubky

Závaží zavěšené na nanotrubkách
Credit: Max Planck Institute

Vědci nechali vyrůst dvě jednostěnné nanotrubky na závaží ze zlata a chrómu a natáhli je mezi dvě stěny. Vytvořili tak zkrutnou pružinu. Jako když doprostřed provázku něco navážete, provázek natáhnete a to něco roztočíte, tak se to bude točit střídavě na jednu a druhou stranu s jistou frekvencí. Závaží vážilo 2x10^-16 kg a mělo moment setrvačnosti (udává to, jak těžko lze závaží roztočit)
7x10^-30kg.m². Průměr nanotrubky byl 1,5 nm, délka nebyla uvedena. Rezonanční frekvence (kolikrát za sekundu se závaží ocitne ve stejné poloze při stejném směru pohybu) byla vypočtena na 100 kHz. Kmity byly vybuzené pouze tepelným pohybem molekul soustavy.

Je to zajímavý test mechanických vlastností jednostěnné uhlíkové nanotrubky. Uvidíme, zda je bude možné využívat jako mechanické oscilátory – při stabilní frekvenci třeba do přesných hodinek, jinak vcelku na nic. Důležité také je, že se vědcům podařilo na kovovém povrchu nanotrubky nechat vhodně vyrůst.

Nanotrubky s diamantovým povlakem

Do pece s čerstvě vyrobenými nanotrubkami v inertní atmosféře vědci přidali trochu vodíku. Ten je normálně škodlivý, protože snadno reaguje s uhlíkem a nanotrubky rozloží, ale když je ve správné koncentraci, tak pouze lehce naruší jejich strukturu a na těch místech se začne vytvářet diamantový povlak silný 20 až 100 nm. Když nejpevnější materiál světa potáhneme nejtvrdším, získáme mechanicky dokonalou formu hmoty.

V praxi se pravděpodobněji uplatní spíše v elektronických zařízeních. Diamantem pokryté nanotrubky i při nízkých elektrických napětích snadno emitují elektromagnetické záření (např. viditelné světlo), a tak mají perspektivu stát se součástí displejů s nízkou spotřebou a vysokým rozlišením. Ale ani využití skvělých mechanických vlastností není vyloučeno. Mohly by se stát součástí široké škály kompozitů.

Bouřlivý vývoj

Tři výše uvedené nanotrubkové objevy spolu přímo nesouvisí, ale je na nich vidět, jak širokou škálu zajímavých vlastností u nanotrubek objevujeme. Uhlík nás stále udivuje tím, jaké rozdílné vlastnosti může mít. Od prostého grafitu (tuhy) přes diamanty, nanopěnu a fullereny se dostáváme k na nanotrubkám a z těch opět vytvoříme něco, co je tvrdší než diamant. Stále se jedná o jeden druh atomu a pokaždé je to navenek něco zcela jiného.Příroda si pro nás schovává ještě hodně tajemství.