How big is Süsiniknanotoru?

Süsiniknanotoru on pisike õõnes toru süsinikuaatomitest, mis on seotud kuusnurkade mustriks nagu grafiiti moodustavad kihid. Üheseinalise nanotoru, mille sein on ühe aatomi paksune, läbimõõt on tavaliselt umbes 1 nanomeeter. Nanomeeter on meetri miljardik. Nanotorud on palju pikemad kui laiad ja nende pikkust mõõdetakse mikromeetrites ehk meetri miljondikes.

Suurus

Saidi 1 nanomeeter on tüüpilise üheseinalise nanotoru läbimõõt, mõõdetuna risti üle toru. Laius on torudel erinev. Ühes 34 üheseinalise nanotoru uuringus mõõdeti läbimõõtudeks 0,7 kuni 1,2 nanomeetrit.

Mitmeseinalised nanotorud on mitu üksteise sisse paigutatud toru, mistõttu need on laiemad. Sumio Iijima 1991. aastal kirjeldatud torudel oli 2 kuni umbes 50 seina ja nende läbimõõt oli mõni kuni mõnikümmend nanomeetrit.

Ka pikkus on erinev. Selles 34 toru uuringus mõõdeti ainult torusid, mis olid pikemad kui 3 mikromeetrit, seega oli igaüks vähemalt 2 500 korda pikem kui lai.

Suuruste võrdlused

• Umbes 80 000–100 000 üheseinalist nanotoru, kõrvuti asetatud, ulatuksid inimese juuksekarva laiuseni (0,08–0,1 millimeetrit).
• Buckminsterfullereen, 60 süsinikuaatomist koosnev suletud kera, on läbimõõdult umbes 1 nanomeeter, umbes sama lai kui tüüpiline üheseinaline nanotoru.
• Kui 1 nanomeetri laiune ja 3 mikromeetri pikkune nanotoru oleks suurendatud sama laiaks kui inimese juuksekarv (0,1 millimeetrit), oleks nanotoru umbes 30 sentimeetrit pikk, joonlaua pikkune.

Kuidas nanotorud leiti

Iijima teatas süsiniknanotorudest ajakirjas Nature 7. novembril 1991. Ta valmistas need elektrikaarega, meetodiga, mis sarnaneb buckminsterfullereeni valmistamisel kasutatuga. Kaare negatiivsel elektroodil kasvasid nõelataolised torud. Elektronmikroskoobis selgus, et iga nõel koosnes 2 kuni umbes 50 süsinikukihtidest torust, mis olid üksteise sisse paigutatud.

Iga toru süsinikuaatomite kuusnurgad keerduvad toru ümber spiraalina. Iijima märkis, et nende torude valmistamine viitas sellele, et on võimalik ehitada süsinikstruktuure, mis on palju suuremad kui buckminsterfullereeni molekulid.

1993. aastal teatasid kaks töörühma üheseinalistest nanotorudest. Iijima ja Toshinari Ichihashi leidsid torusid, mille läbimõõt oli umbes 1 nanomeeter. D. S. Bethune ja tema kolleegid, kes lisasid süsinikule koobaltit, leidsid torusid, mille läbimõõt oli umbes 1,2 nanomeetrit.

Ühe nanotoru vaatlemine

Üksik nanotoru on liiga õhuke, et seda näha, kuid mõned nanotorude liigid kiirgavad lähiinfrapunast sära. 2009. aasta uuringus kasutasid teadlased seda sära, et filmida vees üksikuid nanotorusid fluorestsentsmikroskoobiga. Torud painutasid end edasi-tagasi, kui ümbritsev vedelik neid juhuslikult müksas; seda liikumist nimetatakse Browni liikumiseks.

Selle painutuse põhjal leidsid teadlased, et nanotoru jäikus kasvab läbimõõdu kuubiga. Kaks korda laiemat toru on kaheksa korda raskem painutada. Nanotorud sobivad hästi kasutamiseks tehnikamaterjalides ja meditsiinis. Seda tingivad nende suur pikkus laiusega võrreldes, tugevus ja elektrilised omadused.

Allikad

• Diameter-dependent bending dynamics of single-walled carbon nanotubes in liquids. Fakhri et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009.
• Helical microtubules of graphitic carbon. Sumio Iijima, Nature, 1991.
• Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Iijima and Ichihashi, Nature, 1993.
• Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls. Bethune et al., Nature, 1993.
• Thermally Activated Sliding of C60 on Gold. Pierno et al., ACS Omega, 2025.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.