Άνθρακας/Νανοσωλήνες Άνθρακα

Άνθρακας, ο θησαυρός!

Άνθρακες ο θησαυρός!

Λαϊκή Έκφραση

Η παραπάνω έκφραση χρησιμοποιείται σε οποιοδήποτε ζήτημα έχουν δημιουργηθεί μεγάλες προσδοκίες που όμως στη συνέχεια διαψεύδονται, ακριβώς όπως στην περίπτωση που κάποιος περιμένει να βρει κάτι μεγάλης αξίας (θησαυρός) και στη θέση του βρίσκει κάτι πάμφθηνο (άνθρακες). Μήπως όμως η έκφραση αδικεί το χημικό στοιχείο Άνθρακα (C);

Πράγματι, ας σκεφτούμε τα παρακάτω απλά γεγονότα σε σχέση με τον Άνθρακα (C):

  • Ο Άνθρακας αποτελεί τη βάση όλων των γνωστών μορφών ζωής.
  • Ο Άνθρακας αποτέλεσε τη βάση για τη βιομηχανική επανάσταση, παρέχοντας ενέργεια για τις νεωσύστατες βιομηχανίες.
  • Σημαντικό κομμάτι της μοντέρνας χημικής βιομηχανίας (π.χ. βιομηχανία πλαστκών, πετροχημική βιομηχανία κλπ.) στηρίζεται στις οργανικές ενώσεις, δηλαδή στη χημεία του Άνθρακα.
  • Μια από τις κλασσικές αλλοτροπικές του μορφές, το διαμάντι, είναι όντως ακριβή.

Ίσως λοιπόν αντί για “‘Ανθρακες ο θησαυρός” θα πρέπει να λέμε “‘Άνθρακας, αυτός ο θησαυρός”!

Αλλοτροπικές Μορφές Άνθρακα

Ο Άνθρακας είναι πολύ δραστικό στοιχείο οπότε δεν παραμένει για μεγάλο χρονικό διάστημα ελεύθερος (στην ατομική του μορφή), αλλά σταθεροποιείται σε διάφορες πολυατομικές δομές με διάφορες μοριακές διαμορφώσεις, που ονομάζονται αλλοτροπικές μορφές του άνθρακα. 

Οι τρεις συνήθεις αλλοτροπικές μορφές που βρίσκονται στη φύση είναι:

Οκτώ από τις αλλοτροπικές μορφές του άνθρακα
  • άμορφος άνθρακας (Σχήμα g): Είναι η μορφή που έχει το κάρβουνο.
  • ο γραφίτης (Σχήμα b): Είναι η συνήθης μορφή οργάνωσης του άνθρακα σε κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος και η μορφή που έχει ο άνθρακας στο μολύβι.
  • το διαμάντι (Σχήμα a): Για να σχηματιστεί η παραπάνω δομή χρειάζεται υψηλή πίεση, οπότε το φυσικό διαμάντι σχηματίζεται στο υπέδαφος.

Μια ακόμη μορφή που συναντάται στη φύση είναι ο λονσδαλεΐτης ή εξαγωνικό διαμάντι (Σχήμα 1 – c), ο οποίος προκύπτει από μετασχηματισμό γραφίτη που βρίσκεται μέσα σε μετεωρίτες που εισέρχονται στην ατμόσφαιρα, λόγω των εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται σε αυτή την περίπτωση.

Μετά το 1985 και αφού ο άνθρωπος εισήλθε στην εποχή της Νανοτεχνολογίας, ανακαλύφθηκαν και άλλες αλλοτροπικές μορφές του άνθρακα με χαρακτηριστική διάσταση της τάξης του νανόμετρου (1nm: 1 δισεκατομμυριοστό του μέτρου). Οι κυριότερες από αυτές είναι:

  • τα φουλερένια (Σχήμα d: C60, Σχήμα e: C540, Σχήμα f: C70): σφαιρικές ή ελλειπτικές δομές πολλών ατόμων άνθρακα. Η διάμετρος των οποίων είναι μερικά nm.
  • το γραφένιο: ένα (1) φύλλο απομωνομένο φύλλο γραφίτη. Το πάχος του φύλλου είναι της τάξης του νανόμετρου.
  • οι νανοσωλήνες άνθρακα: ένα (1 – Σχήμα h) ή μερικά φύλλα γραφενίου τυλιγμένα έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα σωλήνα με διάμετρο μερικά nm.

Νανοσωλήνες Άνθρακα

Οι νανοσωλήνες άνθρακα ανακαλύφθηκαν το 1991 από τον Iijima. Όπως αναφέρθηκε πιο πάνω κάθε νανοσωλήνας άνθρακα μπορεί να κατασκευαστεί νοητικά ως ένα ή μερικά φύλλα γραφενίου τυλιγμένα με ορισμένο τρόπο. Αν ο νανοσωλήνας αντιστοιχεί σε ένα φύλλο γραφενίου, τότε θα έχει και απλό τοίχωμα, οπότε έχουμε τους νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (Single-Wall Carbon NanoTube – Σχήμα h). Σε διαφορετική περίπτωση, θα προκύψει ένας νανοσωλήνας άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (Multi-Wall Carbon Nanotube).

Όπως μπορεί να παρατηρήσει κανείς προσπαθώντας να τυλίξει σε κύλινδρο ένα φύλλο χαρτί, το αποτέλεσμα που θα λάβει είναι τελείως διαφορετικό ανάλογα με την κατεύθυνση του άξονα που θα τυλίξει το χαρτί. Στην περίπτωση των νανοσωλήνων άνθρακα απλού τοιχώματος, η κατεύθυνση τυλίγματος του φύλλου γραφενίου δεν είναι απλά ένα γεωμετρικό παιχνίδι, αλλά καθορίζει και τις ιδιότητες του νανοσωλήνα (π.χ. θα έχουμε έναν ηλεκτρικά αγώγιμο ή έναν ημιαγώγιμο νανοσωλήνα). Η κατάσταση είναι ακόμη πιο περίπλοκη στην περίπτωση των νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος, αφού κάθε φύλλο γραφενίου που συμμετέχει στο σχηματισμό του νανοσωλήνα μπορεί να (και συνήθως έχει) διπλωθεί με διαφορετικό τρόπο από τα υπόλοιπα.

Ιδιότητες Νανοσωλήνων Άνθρακα

Οι ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχώματος εξαρτώνται – όπως είπαμε παραπάνω – από τον τρόπο “τυλίγματος”, αλλά και από την κατεύθυνση που τις εξετάζουμε (σε αντίθεση με τα συνήθη υλικά που συνήθως είναι ομογενή). Έτσι, υλικά που αποτελούνται από πολλούς παράλληλους μεταξύ τους νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος είναι δύσκαμπτα ανθεκτικά στον εφελκυσμό, καλοί αγωγοί της θερμότητας και παρουσιάζουν μεταλλικές ή ημιαγώγιμες ιδιότητες ανάλογα με τον τρόπο “τυλίγματος” των νανοσωλήνων, όταν τα εξετάζουμε κατά τη διεύθυνση του άξονα του νανοσωλήνα. Αντίθετα, κατά την ακτινική διεύθυνση, δεν υπάρχει αγωγιμότητα στη θερμότητα ή των ηλεκτρισμό, ενώ το υλικό είναι σαφώς λιγότερο ανθεκτικό μηχανικά.

Η γενική συμπεριφορά των νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος ακολουθεί αυτή των νανοσωλήνων μονού τοιχώματος. Το γεγονός όμως ότι σε κάθε νανοσωλήνα υπάρχει πλέον πλουσιότερη εσωτερική δομή, καθιστά τα πράγματα ελαφρώς πιο πολύπλοκα. Ενδιαφέρουσες συμπεριφορές έχουν αποκαλυφθεί πειραματικά. Για παράδειγμα, σε σχέση με την ηλεκτρική αγωγιμότητα έχει αποδειχθεί ότι ο νανοσωλήνας ακολουθεί τη συμπεριφορά του εξωτερικού τοιχώματος.

Optical absorption spectrum from dispersed single-wall carbon nanotubes
Materialscientist at English Wikipedia [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Σημαντικό ρόλο στο παρόν ερευνητικό πρόγραμμα παίζουν οι οπτικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα και ιδιαίτερα η ιδιότητά τους να απορροφούν ενέργεια υπό μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ευρύ φάσμα εκτεινόμενο από το υπέρυθρο ως το υπεριώδες. Πέρα από το ευρύ φάσμα απορρόφησης, οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να αποτελέσουν και πηγή φωτός μετά από διέγερσή τους από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φωτοφωταύγεια) ή εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης (ηλεκτροφωταύγεια).

Εφαρμογές των Νανοσωλήνων Άνθρακα

Αυτή τη στιγμή, η βασική χρήση των νανοσωλήνων άνθρακα σε εμπορικό επίπεδο είναι αυτή του πρόσθετου σε άλλα πλαστικά ή σύνθετα υλικά για την αύξηση της μηχανικής τους αντοχής ή της σκληρότητάς τους. Απο τα 38 προϊόντα του Αποθετήριου Προϊόντων του Προγράμματος για τις Αναδυόμενες Νανοτεχνολογίες μόνο τα 2 (4.8%) έχουν διαφορετική χρήση:

Παρ’ όλα αυτά εκτεταμένη έρευνα γίνεται τόσο σε επιστημονικό επίπεδο, όσο και σε εταιρικό για την περαιτέρω εκμετάλλευση των πολλά υποσχόμενων από πλευράς ιδιοτήτων υλικών με βάση τους νανοσωλήνες άνθρακα. Διάφορες εταιρείες δοκιμάζουν νέα υλικά βασισμένα στους νανοσωλήνες άνθρακα για εφαρμογές σε πλαστικά, μπαταρίες (αντικατάσταση του ηλεκτροδίου του γραφίτη με νανοσωλήνες άνθρακα) καθαρισμό νερού, αεροναυπηγική, άμυνα και διαστημα. Ανάμεσα σε αυτές τις εταιρείες θα ξεχώριζε κανείς τη Samsung, η οποία ερευνά τη χρήση των νανοσωλήνων άνθρακα για την επόμενη γενιά ενεργειακά φιλικών προς το περιβάλλον επίπεδων οθονών τηλεόρασης και υπολογιστών.

Αναφορές

Ελληνικές

  1. Άνθρακας Ελληνική Σελίδα Wikipedia
  2. “Άνθρακας ο Θησαυρός” Προέλευση φράσης

Αγγλικές

  1. Άνθρακας Αγγλική Σελίδα Wikipedia
  2. Νανοσωλήνες Άνθρακα Αγγλική Σελίδα Wikipedia
  3. Νανοσωλήνες Άνθρακα: Ανασκόπηση από τον ιστότοπο της Elsevier
  4. Άνθρακας για Ηλεκτρονικά Ιστοσελίδα για τις Ιδιότητες και Χρήσεις των Νανοσωλήνων Άνθρακας
  5. Οι Νανοσωλήνες άνθρακα βρίσκουν καθημερινές χρήσεις Αφιέρωμα στους Νανοσωλήνες Άνθρακα από το περιοδικό Science Daily.
  6. Εφαρμογές και Χρήσεις των Νανοσωλήνων Άνθρακα
  7. Εμπορική Κατάσταση Νανοσωλήνων Άνθρακα