nanorør

Karbonnanorør har blitt studert siden 1950-tallet, men interessen for dem steg betraktelig etter en rapport av den japanske forskeren Sumio Iijima i 1991. Siden den gang har en rekke nanorør med ulike kjemiske sammensetninger blitt fremstilt.

Nanorør kan lages av for eksempel karbon, silisium, galliumnitrid, bornitrid eller titandioksid. Forskning har også vist at nanorør kan lages av biomolekyler, for eksempel DNA. Blandinger av ulike grunnstoffer finnes også, som BCN-nanorør, bestående av bor, karbon og nitrogen i ulike mengder.

Karbonnanorør har en naturlig rørstruktur, men de fleste typer nanorør lages ved uthuling av nanotråder, ved å gro materialet utenpå karbonnanorør, eller ved å rulle sammen tynnfilmer.

Nanorør laget av titandioksid tenkes å ha anvendelser i solceller, på grunn av deres optiske stabilitet. De kan brukes som elektrode i perovskittsolceller og fargestoffsolceller, eller som elektrontransportlag i perovskittsolceller.

Nanorør laget av galliumnitrid har svært gode optiske og elektroniske egenskaper. Dette gjør dem interessante til bruk innen optisk kommunikasjon, og i neste generasjon transistorer. Galliumnitridnanorør har også blitt forsket på til bruk i nanosensorer for å overvåke blodsukkeret i diabetespasienter.

Celler kan i noen tilfeller kommunisere seg imellom enten elektrisk, kjemisk eller mekanisk gjennom nanorør laget av biomolekyler. Disse nanorørene er en del av celleskjelettet, og er laget av aktin, mikrotubuli eller intermediære filamenter. De færreste av disse rørene har en diameter på under hundre nanometer, men de kalles allikevel nanorør. De største rørene kan frakte vesikler og organeller som mitokondrier, mellom cellene.

Karbonnanorør er de mest brukte nanorørene, og står i en særstilling når det gjelder styrke og elektrisk ledningsevne. Et karbonnanorør er bygget opp som om grafén er rullet sammen til et rør. Det finnes ulike typer konfigurasjoner av karbonnanorør ut ifra hvordan karbonatomene ligger i forhold til aksen langs røret. Man kan tenke seg at grafén har blitt rullet sammen på ulike måter, som vist i figuren. Det er tre hovedgrupper av konfigurasjoner, som har blitt gitt de engelske navnene zigzag, armchair og chiral. Disse ulike konfigurasjonene gir ulike egenskaper, som ulik elektrisk ledningsevne. Man skiller mellom enkeltveggede karbonnanorør (engelsk SWCNT, single-walled carbon nanotube) som har vegger med tykkelse som tilsvarer ett enkelt karbonatom, og flerveggede karbonnanorør (engelsk MWCNT, multi-walled carbon nanotube) som har flere slike vegger utenpå hverandre.

Elektroner kan bevege seg nokså fritt langs overflaten til karbonnanorør. Konfigurasjonen som kalles «armchair» er metallisk, og den elektriske ledningsevnen til disse karbonnanorørene kan overgå selv de mest elektrisk ledende metallene. De fleste typer av konfigurasjonen som kalles «chiral» (alle typer der m ≠ n), i tillegg til «zigzag»-konfigurasjonen er halvledende. Karbonnanorør har altså et bredt spekter av ulike ledningsevner som kan finjusteres ved å bestemme oppbygningen deres. Den svært gode ledningsevnen til armchairkonfigurasjonen har vært utgangspunkt for bruk av karbonnanorør i ulike applikasjoner.

De kan blant annet blandes inn i polymerer for å gjøre dem sterkere og elektrisk ledende. Nanorørene kan også brukes til å øke ledningsevnen til allerede ledende materialer. Carbon black brukes vanligvis til å øke elektrisk ledningsevne i batterielektroder, men forsøk med karbonnanorør viser en betydelig forbedring i forhold til carbon black. Karbonnanorør kan også lagre opptil tre ganger så mange litiumioner som grafitt, som brukes i anoden i dagens litiumionbatterier.

Karbonnanorør er blant de aller sterkeste og stiveste materialene man kjenner til på jorden, målt i strekkfasthet og elastisitetsmodul. Dette er på grunn av de sterke kjemiske bindingene mellom karbonatomene i strukturen. Siden de er så lette, er den spesifikke styrken (styrke-til-vekt-forhold) til karbonnanorør også eksepsjonell, rundt 300 ganger sterkere enn stål. Selv om individuelle karbonnanorør er svært sterke, er styrken noe redusert når rørene opptrer sammen i en bunt.

Hvis man skulle klare å lage karbonnanorør som er så lange at de strekker over hele materialets lengde uten skjøter mellom nanorørene, ville karbonnanorør kunne muliggjøre noen ekstreme bragder. Et eksempel er svinghjul av karbonnanorør, som ville kunne lagre 8,5 kWh energi per kg materiale, noe som er en energitetthet cirka 40 ganger høyere enn dagens litiumionbatterier. Det har også blitt spekulert i om en bunt av flere tusen kilometer lange karbonnanorør ville gjøre en romheis mulig. Dette er en tenkt heis som kan bringe materialer opp i bane rundt jorda til en brøkdel av prisen som kreves i dag. Dessverre er ingen karbonnanorør i dag i nærheten av å kunne lages så lange.

• nanoteknologi
• nanovitenskap
• nanomaterialer

• M. Monthioux and V.L. Kuznetsov, «Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubes?», Carbon, 2006, 44, 1621–3.
• S. Iijima, «Helical microtubes of graphitic carbon», Nature, 1991, 354, 56-58.
• P. Castrucci, M. Scarselli, M. De Crescenzi, M. Diociaiuti, P.S. Chaudhari, C. Balasubramanian, T.M. Bhave and S.V. Bhoraskar, «Silicon nanotubes: Synthesis and characterization», Thin Solid Films, 508, 226-230, 2006.
• N.G. Chopra, R.J. Luyken, K. Cherrey, V.H. Crespi, M.L. Cohen, S.G. Louie and A. Zettl, «Boron Nitride Nanotubes», Science, 269, 966–967 (1995).
• J. Goldberger, R. He, Y. Zhang, S. Lee, H. Yan, H.J. Choi, and P. Yang, «Single-crystal gallium nitride nanotubes». Nature, 422, 599–602 (2003)
• T. Kasuga,M. Hiramatsu,A. Hoson, T. Sekino and K. Niihara, ‘Formation of Titanium Oxide Nanotube’, Langmuir, 14, 3160-3163 (1998), 14 (12), pp 3160–3163
• P.W.K. ROTHEMUND, A. EKANI-NKODO, N. PAPADAKIS, A. KUMAR, D.K. FYGENSON AND E. WINFREE, «DESIGN AND CHARACTERIZATION OF PROGRAMMABLE DNA NANOTUBES», J. AM. CHEM. SOC., 126, 16344-16352 (2004).
• H.H. Gerdes, A. Rustom and X. Wang, «Tunneling nanotubes, an emerging intercellular communication route in development», Mechanism of Development, 130, 381-387 (2013)