Geleceğin Hammaddesi Denilen Karbon Nanotüp, Tam Olarak Neyin Nesidir?
Allotrop: Aynı elementin uzayda farklı şekilde dizilerek farklı geometrik şeklindeki kristallerine denir. Grafit - elmas örneğindeki gibi.
karbon nanotüp, karbonun bir allotropudur. 1991 tarihinde sumio iijima tarafından grafitten üretilmiştir. tarihine şöyle detaylı bakabilirsiniz: nanotüp tarihi
bu ürünün güçlü elektronik ve mekanik özellikler göstermesinin nedeni nedir?
önce kısa bilgi verelim: karbon nanotüpler çelikten 500-600 kat yüksek elastik modüle sahipken; örülme biçimine bağlı olarak bakır kadar iletken veya silisyum gibi yarı iletken olabilmektedir. (referans 1 ve referans 2)
böyle olmasını sağlayan özelliklerin başında hibritleşme özelliği ve tabakalar arasında düşük çekim özelliğine sahip van der waals bağlarının olması gelir ki bu sayede kıvrılabilmektedir. örneğin güçlü 4'lü kovalent bağ olan elmas çok serttir ve kıvrılamaz.
bilimsel detay: kısaca şöyle açıklayabiliriz... sp2 yani 3 bağ yapan hibrit bağlar sp3'e göre daha kararlıdır. çünkü sp2'nin sp3'e göre s orbitalinin etkinliği artar. bilindiği gibi s orbitali merkeze daha yakındır ve çekirdek tarafından daha güçlü şekilde çekilmektedir ve p orbitainin etkinliği(sp3'de p orbitalinin 3 elektronu etkin) azaldıkça yapı daha kararlı hale gelmektedir. (kimyadan hatırlayalım c=1s2 2s2 2p2) karbon toplamda 4 bağ yapabilir fakat sp2 bağı sebebiyle açıkta kalan 1 elektron aynı zamanda iletkenliği kontrol etmemizi sağlar ki buna delokalize olmuş elektron diyoruz, yani karbonun diğer allotropu olan sp3 bağlı(4 bağ yapmış) elmas gibi yalıtkan değildir.
kısaca üretim yöntemleri
katı yöntemler (lazer, ark boşaltım), gaz yöntemlerle(kimyasal buhar biriktirme yöntemleri) üretilebilmektedir. şuradan inceleyebilirsiniz.
tek tabakalı yapıya sahip olan grafen sonrası nanotübün özelliklerini anlamak kolaylaşmıştır. bilim adamları şunu düşünüyor: "nanotüp aslında dürüm yapılmış bir grafendir." tanım olarak 1 boyutlu fakat 1e 1000 çerçeve oranına sahip bir malzeme tipidir.
karbon nanotüp çeşitleri
bu tüpün farklı cinsleri mevcut. eğer tek katmanlı grafeni dürüm yaparsanız tek duvarlı, çok katmanlı grafenleri dürüm yaparsanız çok duvarlı nanotüpler ortaya çıkar. tahmin edeceğiniz gibi küçük boyutları sebebiyle tek duvarlıyı üretmek daha zordur, bu sebeple sıklıkla çok duvarlı tercih edilmektedir. altta tek ve çok duvarlı nanotüplerin geçirmeli elektron mikroskobu görüntülerini inceleyebilirsiniz.
karbon nanotüp tem görüntüleri:
tek ve çok duvarlı nanotüpler
(referans)
tek duvarlı karbon nanotüplerin iletkenliği de nasıl dürüm yaptığınıza bağlı olarak değişmektedir. bu sayede iletken veya yarı-iletken üretebilir, ünlü silisyum elementi yerine kullanabilirsiniz. bu arada ilgili diğer bir yazım:
nanotüplerin iletkenliğini karbonların yerini göstermekte kullandığımız kiral vektörlerin toplamı ile belirleyebiliriz. 3 tipi vardır: kiriş, zig-zag ve kiral şekilleri (n, n), (n, 0) ve (n, m) olarak ifade edilebiliyor. fizikle ilgilenmeyenleri detaylarla boğmayacağım isteyen verdiğim kaynaklara bakabilir: (referans), (referans)
nanotüpte kıvrımlı yapı mevcuttur bu yüzey alanının artmasına sebep olur ki bu da filtrelemede kullanışlı bir ürün elde etmenizi sağlar. aynı zamanda yüksek iletkenliğe, ihmal edilebilecek bir termal genleşmeye sahiptir. pil uygulamalarında, iletken ve yüksek mukavemete sahip bant uygulamalarında veya yüksek termal iletkenlikleri sebebiyle hassas ölçüm cihazlarına kadar kullanılabilirler. (referans)
karbon nanotüp sorunları
karbon tüplerin en büyük problemi kompozit üretiminde yapıda homojen dağılamamasıdır. çünkü yüksek yüzey alanına sahip ve tabakalar arasında grafite benzer şekilde güçlü van der waals etkileşimleri olur, bu da topaklaşmalara sebebiyet verir. haliyle polimer matriksle arayüzeyde bağlantı oluşturmada sorunlar çıkar. kısacası tek bir nanotüpün üretimi kolay yapılsa da milyonlarcasını bir arada kontrol etmek oldukça zordur. (referans)
esas sorunsa bu kadar iyi bir malzemenin neden çelik yerine geçmediğidir? aslında cevabı çok basit. o kadar büyük boyutlarda üretilemiyor şu an mikrometre seviyesinde büyütülebilen bir teknoloji ve kompozit olarak kullanılması halinde üstte bahsettiğimiz gibi karışmama sorunları ortaya çıkabiliyor. bunlar yanında üretim maliyeti kullanılan ekipmanlar sebebiyle oldukça yüksek.