Carbon nanorør finder anvendelse i den virkelige verden

Ingen bestrider, at kulstof nanorør har potentialet til at være en vidunderteknologi:deres egenskaber inkluderer en varmeledningsevne, der er højere end diamant, større mekanisk styrke end stål - størrelsesordener efter vægt - og bedre elektrisk ledningsevne end kobber.

Men, ligesom andre 'fremtidens store teknologier', er vi ved at hype nanorør? Er de i nærheden af ​​at bestå den egentlige test - udbredt praktisk brug? Svaret er et kvalificeret ja. Succesen med kulstofnanorør (CNT'er) bevises af en overraskende statistik:verdensomspændende kommercielle produktionskapacitet overstiger i øjeblikket flere tusinde tons om året, ifølge Dr Michael De Volder, nyligt udnævnt lektor ved Institut for Ingeniørvidenskabens Institut for Fremstilling. Men det er et produktionsniveau, der har taget omkring 20 år at opnå.

"Begyndelsen til udbredt carbon nanorørforskning blev forudgået i 1990'erne af den første videnskabelige rapport om CNT'er, selvom hule carbon nanofilamenter blev rapporteret allerede i 1950'erne, " siger Dr. De Volder. "Men, carbon nanorørrelateret kommerciel aktivitet er vokset mest markant i løbet af det sidste årti. Siden 2006 har verdensomspændende kulstof nanorørs produktionskapacitet er blevet mindst tidoblet."

Dr. De Volders nyeste videnskabelige gennemgangspapir om kommercielt tilgængelige carbon -nanorør -applikationer giver en smag af, hvor udbredt en reel indvirkning teknologien begynder at få [M. De Volder et al. Videnskab 339, 2013]. Tag vandrensere, for eksempel, størrelsen, overfladeareal og adsorptionsegenskaber af carbon nanorør gør dem til en ideel membran til filtrering af giftige kemikalier, opløste salte og biologiske kontaminanter fra vand. Det amerikanske selskab Seldon Technologies har udviklet MineralWater System ved hjælp af dets "Nanomesh Purification Technology" – et kulstof nanorør-filtreringssystem – for at gøre netop det. Virksomheden siger, at dets system leverer drikkevand uden brug af kemikalier, varme, eller magt:afgørende for brug i udviklingslande, hvor det er mest nødvendigt. Filteret fjerner patogener og forurenende stoffer såsom vira, bakterie, cyster og sporer, levere vand, der opfylder eller overstiger USEPAs drikkevandstandard. Den er velegnet til brug i boliger, kontorer, skoler, klinikker, og andre kommercielle miljøer, Seldon siger.

Det enorme overfladeareal af kulstofnanorør bliver også udnyttet, når de bruges som elektroder i batterier og kondensatorer for at give mere strøm og bedre elektrisk og mekanisk stabilitet end andre materialer. Verdensomspændende forskningsindsats på dette område har fremmet udviklingen af ​​kommercielle aktiviteter i virksomheder som Showa Denko (Batteries, Japan), og FastCAP (Supercaps, OS). Carbon nanorørens egenskaber gør dem ideelle til at forbedre forskellige slags strukturer - f.eks. sportsudstyr, krops rustning, køretøjer, etc., hvor de bliver brugt meget. Nanorørene danner netværk i kompositmaterialet for for eksempel at øge stivhed og materialedæmpning.

Sportsproducenter bruger dem i tennis- og badmintonketcher, og cykelstel. Men mens kulstof nanorør bliver brugt i praktiske applikationer, det betyder ikke, at deres mere udbredte brug ikke vil være problemfri.

"Der er en række forhindringer, som vi ikke har løst endnu, " siger Dr. De Volder. "Især i high-end mål, som søgen efter bedre transistorer, den nøjagtige morfologi af nanorøret og orienteringen af ​​grafengitteret i forhold til røraksen - omtalt som dets chiralitet - er virkelig vigtig. I dette øjeblik, vi har ringe evne til at syntetisere carbon nanorør med specifikke typer chiralitet, og det er dette, der bestemmer de halvledende versus ledende egenskaber for carbon nanorørene.

"En af de interessante ting, der sker, er forbedringen af ​​computersimuleringer af, hvordan carbon nanorør syntetiseres, hvilket forhåbentlig vil gøre os i stand til at justere fabrikationsprocessen. Og elektronmikroskopi gør det muligt at se på carbon nanorørene, mens de dannes, hvilket hjælper med at forbedre forståelsen af ​​processen. "

Dr. De Volder arbejder selv på udfordringen med masseproducerende enheder med hundreder til tusinder af nanorør.

"Desværre, når du samler dem i stort antal, fortjenestetallene for deres egenskaber er ofte skuffende i forhold til, hvad du får fra et individuelt kulstofnanorør. Jeg forsøger at udvikle teknikker til at bringe partikler sammen på mere effektive måder, eller kigge på materialernes nye egenskaber, afhængigt af hvordan du samler carbon -nanorørene. "

Alligevel, fremskridt sker nu med SWNT'er, hvor den britiske virksomhed Thomas Swan er verdensførende inden for fremstilling af SWNT'er med sit Elicarb-materiale, bruges nu på områder som avancerede kompositter, elektronik, energilagring, Print, papir og emballage og brændselsceller.

En anden nylig udvikling inden for SWNT'er - annonceret i juni af Linde Electronics - er udviklingen af ​​et kulstof nanorør blæk til brug i skærme, sensorer og andre elektroniske enheder. Potentielle applikationer omfatter smartphones med en roll up -skærm og en gennemskuelig GPS -enhed indlejret i forruden på en bil.

"Linde stiller nu sine nanorørblæk til rådighed for udviklere, " siger Dr Sian Fogden, markeds- og teknologiudviklingschef for Lindes nanomaterialeenhed. "Disse blæk indeholder enkeltvæggede kulstof nanorør og er produceret uden at beskadige eller forkorte nanorørene, og derfor bevarer de de unikke nanorørs egenskaber."

Linde hævder, at dette er en skelsættende udvikling, der drastisk forbedrer ydeevnen af ​​gennemsigtige ledende tynde film fremstillet af blæk og åbner døren for udviklingen af ​​carbon nanorør-applikationer i ikke kun forbrugerelektronik, men også sundhedssektoren og sensorproduktionssektoren.

Fordi nanorør er lange og tynde, de har høje van der Waalskræfter mellem sig, og de holder sammen. Den standard måde at adskille dem på er ved at bruge kraftige lydbølger. Men dette kan beskadige nanorørene og påvirke deres egenskaber.

"Med vores blæk, vi bruger en proces kaldet Salt Enhanced Electrostatic Repulsion (SEER), der ikke kræver sonikering, men som producerer opløsninger af individuelle kulstofnanorør, mens længden af ​​nanorøret bevares, " Dr. Fogden siger. "Kun for ganske nylig er der begyndt at blive produceret produkter såsom berøringsskærme, som indeholder enkeltvæggede kulstof nanorør, og disse enheder er endnu ikke blevet lanceret på det fulde forbrugermarked. Først når det rå carbon nanorørmateriale kan behandles fuldt ud på en pålidelig og gentagelig måde, vil det blive brugt i forbrugerelektronik i stor skala. "

En anden spændende udvikling inden for elektronik og databehandling kommer fra det amerikanske firma Nantero, som siger, at det kommercialiserer kulstof nanorør-baserede halvlederenheder, inklusive hukommelse, logik og andre.

"Vi har udviklet NRAM, en ikke-flygtig RAM med høj tæthed, og målet er, at den skal fungere som en universel hukommelsesteknologi, " says ceo Greg Schmergel. "NRAM can be manufactured for both standalone and embedded memory applications and samples have already been shipped to selected customers and are under development at several production cmos fabs by Nantero and its licensees. These samples are multimegabit arrays that demonstrate high yield, high speeds, reliability and low power consumption."

Nantero claims it is the first company to actively develop semiconductor products using carbon nanotubes suitable for production in a standard cmos fab.

"The main obstacle in the past has been the fact that carbon nanotubes have not been compatible with existing semiconductor fabs, " Schmergel says. "At Nantero, we have solved that by developing a cmos compatible carbon nanotube material that can be accepted into any fab in the world and manufacturing processes compatible with existing semiconductor manufacturing equipment. So our memory and other carbon nanotube devices can be made in any cmos fab at high volumes.

Using existing processes means reliability and reproducibility is far higher." Nantero's microelectronic grade carbon nanotube material is now available commercially through licensee Brewer Science.

This could be a pointer to the longer term future, involving mainstream computing. At Stanford University recently, a team announced the first functioning computer built from carbon nanotubes. Despite featuring just 178 transistors and running at 1kHz, the computer is nevertheless 'Turing complete', meaning it can do anything today's machines can do, just much slower.

Men, in a few years time, billions of carbon nanotubes may be on our desks and in our pockets.