Kulstof nanorør

I dag kendes fire meget forskellige former for kulstof, hvor de mest velkendte er diamant og grafit. Diamant er gennemsigtigt, meget hårdt og isolerende overfor elektrisk strøm. Helt andre egenskaber finder man for grafit – stiften i en blyant. Det er sort, meget blødt og en god elektrisk leder. Denne imponerende forskel på de to materialer, der består af det samme grundstof, nemlig kulstof, skyldes udelukkende den måde, som atomerne sidder på i forhold til hinanden, altså deres krystalstruktur, se figur 4a–d.

I 1985 kom der for første gang i århundreder en helt ny form af kulstof på banen, nemlig kulstof-60 (C-60). Det er et molekyle, der består af 60 kulstofatomer. Atomerne sidder i en kugleskalsstruktur, der består af 12 femkanter og 20 sekskanter – præcis som på en læderfodbold. Det har også givet C-60 kælenavnet fodboldmolekylet.

I 1991 ledte den japanske forsker S. Iijima med sit elektronmikroskop efter sådanne molekyler, men så i stedet noget helt nyt: Aflange, rørformede molekyler, der nu kaldes kulstofnanorør. De har siden været under intens udforskning pga. en række fascinerende egenskaber, som vi blot vil beskrive nogle af her.

En usædvanlig struktur – Universets stærkeste materiale
Kulstof nanorør er molekyler med en krystalstruktur, der ser ud, som om et enkelt lag af grafit er blevet rullet sammen til en cylinder. Faktisk minder de mest af alt om et rør fremstillet af hønsenet.
Et typisk nanorør er omkring 1 nm i diameter, men kan have en længde på op til 100.000 nm = 0,1 mm – den omtrentlige diameter på et hår.

Da bindingerne mellem lagene i grafit er meget svage, har de enkelte lag let ved at glide hen over hinanden og grafit fremstår derfor som et meget blødt materiale. Et nanorør derimod består i princippet kun af et enkelt sammenrullet grafitlag, og dets styrke bestemmes af de meget stærke bindinger mellem atomerne inden for et enkelt lag. Nanorør har let ved at bøje, men de er meget svære at rive over.

I den henseende er nanorør det stærkeste materiale vi kender: 100 gange stærkere end stål. Et enkelt nanorør med en diameter på en nanometer vil kunne klare et træk på omkring 10^-7 N (100 nN) før det knækker. Det lyder måske ikke som meget, men hvis man forestillede sig et nanorørsreb på tykkelse med et hår (dvs. 100 μm) vil det bestå af ca. 10 milliarder nanorør og kunne bære ca. 100 kg! Ydermere skal dette sammenlignes med at nanorør ikke vejer ret meget: 100 kg af nanorørsrebet vil have en længde på 622.000 km - det vil altså kunne nå ca. halvanden gang til Månen.

Forskellige slags
Der findes mange forskellige typer af nanorør, der er karakteriseret ved små forskelle i deres krystalstruktur. På figur 8 kan man se tre forskellige typer af nanorør.

Disse små forskelle i opbygning har store konsekvenser for rørenes evne til at lede en elektrisk strøm. Nogle typer har mange løst bundne elektroner, som kan lede strømmen, mens andre typer næsten ingen har. Med andre ord er der store forskelle i nanorørenes elektriske modstand. Grunden til denne forskel kan forklares vha. en af de mest succesfulde teorier for nanoverdenen, nemlig kvantemekanikken.

Det er en af de store udfordringer for en fremtidig praktisk anvendelse af nanorør, at man skal kunne sortere de forskellige typer af nanorør i laboratoriet.

Kul på elektronikken
Udgangspunktet for alle elektroniske kredsløb er transistorer. Det er komponenter, der fungerer som ventiler for strøm og dermed styrer de signaler, der løber i de elektriske kredsløb, når en computer udfører en beregning. Ved at sætte ultrafine metalelektroder på nanorør har forskere vist, at nogle typer rør kan fungere som transistorer.

Det er dog ikke let at udføre den slags eksperimenter – man kan ikke bare klipse et par krokodillenæb på et molekyle, der er 10.000 gange mindre end hvad man kan se med det blotte øje. Det kræver avancerede nanofabrikationsteknikker, som forskere bl.a. arbejder med ved Københavns Universitet. På figur 9 ses en elektronisk komponent, hvor et nanorør er forbundet til to guldelektroder.

Normalt kan man tænke på strøm som en flod af elektrisk ladning – det er sjældent man behøver at tænke på, at strømmen i realiteten består af elektroner. Men nanorørstransistorerne er så små, at selv én enkelt elektron kan spille en rolle. Danske forskere har faktisk lavet såkaldte enkeltelektron transistorer med nanorør – komponenter, hvor man kan styre elektronerne en for en.

Nanorørene kan også benyttes som ledninger på nanoskala. Man har vist, at et enkelt nanorør kan klare en strøm på 0,02 mA. Det lyder måske ikke af ret meget, men man skal huske på, at rørene kun er én nanometer i diameter. Hvis man regner ud, hvad en elledning med en diameter på 1mm, fremstillet at et bundt ("reb") af nanorør, kan klare, får man en kolossal stor strøm. Faktisk kan nanorør bære strømme, der er mindst 10 gange større end i kobberledninger, som vi benytter i hverdagen.

Hvad fremtiden kan bringe….
Alt i alt har man på nuværende tidspunkt vist, at nanorør kan fungere som ledninger, modstande og transistorer. Dermed har man de fleste dele som er nødvendige for at bygge et elektronisk kredsløb. Flere forskerhold har faktisk fremstillet enkle integrerede kredsløb, der er baserede på nanorør.

På figur 10 ser man, hvordan man forestiller sig, at man i fremtiden kan opbygge integrerede kredsløb (IC'ere) ved at forbinde forskellige nanorør vha. metalbaner. Det er dog en kæmpe udfordring at realisere dette og man skal ikke forvente at se "nanorørs-pc'er" de næste mange år.

Ved at forske i den retning lærer vi en masse om de grundlæggende egenskaber ved verden på nanometerskala, og den viden vil helt sikkert få stor betydning for udviklingen af nanoteknologi i de kommende årtier.

En anden fascinerende egenskab ved nanorør er, at de frie elektroner kun kan bevæge sig frem og tilbage langs nanorøret og ikke som i et normalt metal bevæger sig i alle tre retninger i rummet. Man siger, at nanorør er endimensionelle. Derfor kan man teste mange spændende fysiske egenskaber ved endimensional systemer, som blev forudsagt teoretisk helt tilbage i 1960'erne.

Disse egenskaber kommer populært sagt fra, at elektronerne ikke kan "komme uden om hinanden" i én dimension.

Nanorørenes fantastiske trækstyrke betyder, at det som det eneste materiale i verden principielt kan benyttes til at bygge en elevator fra Jordens overflade ud i rummet til den geostationære bane, se figur 7.

En sådan rumelevator vil kunne benyttes til at fragte mennesker og materiel ud i rummet uden brug af kostbare raketter. Videnskabsfolk og science fiction-forfattere har fantaseret om rumelevatoren i over hundrede år. Men det har været principielt umuligt at bygge en, da man ikke rådede over kabler som var stærke nok til at bære sig selv over så store afstande.

Et sådant materiale har vi nu i form af nanorør og i USA arbejdes der seriøst på at bygge en rumelevator vha. nanorør. Men der er dog stadig så mange tekniske udfordringer, der skal tackles, at en fungerende rumelevator tidligst ser dagens lys mange årtier ude i fremtiden. Måske forbliver ideen fantasi.