Kolnanorör är av stort intresse för både vetenskaplig forskning och kommersiella tillämpningar tack vare materialets unika egenskaper. En ny avhandling vid Karlstads universitet tittar på hur atomstrukturen påverkar materialets olika egenskaper.

– För närvarande finns det för få mätstandarder och inget korrekt klassificeringssystem för kolnanorör, säger Mattias Flygare, nyligen utbildad doktor i fysik som precis publicerat sin avhandling. Jag har studerat effekten av kristallinitet på olika egenskaper, såsom rörens böjstyvhet och elektriska ledningsförmåga.

Det är känt att om rören hade en perfekt atomstruktur skulle dessa egenskaper vara enastående; detta är dock sällan fallet i verkligheten. Istället observerar forskarna att rörens väggar består av ett lapptäcke av olika stora "korn" med en välordnad atomstruktur. Storleken på dessa kristallitkorn ger tillsammans med andra defekter materialet olika egenskaper.

Kolnanorör är mycket tunna och lätta ihåliga rör som består av kolatomer, med väggar som bara är en atom tjocka. Rörväggen är som ett ark av grafit rullat till en cylinder, med hexagonala mönster som bildar arket. På grund av sina unika mekaniska, elektriska och termiska egenskaper erbjuder kolnanorör stor potential för vetenskaplig forskning och industriella och kommersiella tillämpningar, till exempel inom kompositmaterialindustrin, men användningsområdet är bredare än så.

Korn av perfekta mönster

"Jag har studerat i vilken utsträckning olika ojämnheter i atomstrukturen påverkar materialets egenskaper, säger Mattias Flygare. För att studera atomstrukturen har jag använt vårt transmissionselektronmikroskop här på Karlstads universitet. Mikroskopet använder en stråle. av elektroner istället för synligt ljus för att analysera materialet, vilket gör det möjligt att titta på rören på nanometernivå, det vill säga en miljarddels meter, vilket är otroligt litet.Mina studier visar till exempel att egenskapernas beroende på ordningen och periodiciteten för atomerna inuti rörväggarna är inte alltid helt linjär, och det finns kritiska punkter där egenskaperna kan förbättras drastiskt genom att bara öka kristalliniteten lite.Detta är ett mycket intressant resultat som visar på behovet av mer forskning och utveckling av karakteriseringsmetoder för kolnanorör, så att rätt sorts rör kan användas för rätt ändamål, och för att vidareutveckla produktionsmetoder för rören."

Transmissionselektronmikroskop

Med den här tekniken kan du komma runt upplösningsbegränsningarna för synligt ljus, som är cirka en mikrometer, och ner till cirka 100 picometer, det vill säga 0,1 nanometer, vilket är tillräckligt högt för att lösa upp enskilda atomer. Inne i mikroskopet på universitetet går det även att manipulera kolnanorören med en specialbyggd sond som kan styras på nanometernivå.

– Vårt elektronmikroskop finns i hus 21, men det är helt isolerat från vibrationer från resten av huset, säger Mattias Flygare. "Om mikroskopet hade kontakt med huset skulle det bara ta en person som gick nerför korridoren utanför rummet för att vibrationerna skulle göra bilden suddig och oanvändbar."

Användningsområden för kolnanorör

Idag finns det applikationer för kolnanorör i många olika produkter, och forskare fortsätter att utforska kreativa nya sätt att använda materialet. Kolnanorör finns i olika kompositmaterial, till exempel i sportutrustning som tennisracketar och cyklar, på grund av dess förmåga att förbättra styrkan och ändå minska vikten. Tack vare sin elektriska ledningsförmåga är den också användbar i all slags elektronik, och det finns ännu mer exotiska användningsområden i horisonten. + Utforska vidare

Ytterrör selektivt bordopade dubbelväggiga kolnanorör för termoelektriska applikationer