מה הגודל של ננו-צינורית פחמן?

ננו-צינורית פחמן היא צינורית חלולה זעירה של אטומי פחמן, המקושרים בתבנית של משושים, כמו היריעות שמהן עשוי הגרפיט. ננו-צינורית חד-דופנית, שדופנה בעובי אטום אחד, היא בדרך כלל ברוחב של כ-1 ננומטר. ננומטר הוא מיליארדית המטר. ננו-צינוריות ארוכות בהרבה מכפי שהן רחבות, ואורכן נמדד במיקרומטרים, כלומר במיליוניות המטר.

גודל

הרוחב של 1 ננומטר שבאתר הוא הקוטר של ננו-צינורית חד-דופנית טיפוסית, הנמדד לרוחב הצינורית. הרוחב משתנה מצינורית לצינורית. במחקר אחד של 34 ננו-צינוריות חד-דופניות נמדדו קטרים בין 0.7 ל-1.2 ננומטרים.

ננו-צינוריות רב-דופניות הן כמה צינוריות המקוננות זו בתוך זו, ולכן הן רחבות יותר. אלה שתיאר סומיו איג'ימה ב-1991 כללו 2 עד כ-50 דפנות, ורוחבן נע בין כמה ננומטרים לכמה עשרות ננומטרים.

גם האורך משתנה. במחקר על 34 הצינוריות נמדדו רק צינוריות ארוכות מ-3 מיקרומטרים, ולכן כל אחת מהן הייתה ארוכה לפחות פי 2,500 מרוחבה.

השוואות גודל

• כ-80,000–100,000 ננו-צינוריות חד-דופניות, זו לצד זו, היו משתרעות על פני שערת אדם, שרוחבה 0.08–0.1 מילימטרים.
• כדור באקי, כדור סגור של 60 אטומי פחמן, רחב כ-1 ננומטר, בערך כמו ננו-צינורית חד-דופנית טיפוסית.
• אילו הוגדלה ננו-צינורית ברוחב 1 ננומטר ובאורך 3 מיקרומטרים עד שרוחבה כרוחב שערת אדם, 0.1 מילימטרים, אורכה היה כ-30 סנטימטרים, כאורכו של סרגל.

איך התגלו ננו-צינוריות

איג'ימה דיווח על ננו-צינוריות פחמן בכתב העת Nature ב-7 בנובמבר 1991. הוא יצר אותן בעזרת קשת חשמלית, שיטה דומה לזו ששימשה ליצירת כדורי באקי. צינוריות דמויות מחט גדלו על האלקטרודה השלילית של הקשת. מתחת למיקרוסקופ אלקטרונים התברר שכל מחט היא קבוצה של 2 עד כ-50 צינוריות של יריעות פחמן, המקוננות זו בתוך זו.

משושי אטומי הפחמן בכל צינורית מתפתלים סביבה בספירלה. איג'ימה ציין שיצירת הצינוריות האלה מרמזת שאפשר לבנות מבני פחמן בקנה מידה גדול בהרבה מזה של כדורי באקי.

ב-1993 דיווחו שתי קבוצות על ננו-צינוריות חד-דופניות. איג'ימה וטושינארי איצ'יהאשי מצאו צינוריות ברוחב של כ-1 ננומטר. ד. ס. בת'ון ועמיתיו, שהוסיפו קובלט לפחמן, מצאו צינוריות ברוחב של כ-1.2 ננומטרים.

צפייה בננו-צינורית בודדת

ננו-צינורית בודדת דקה בהרבה מכדי להיראות, אך סוגים מסוימים פולטים זוהר באינפרא-אדום קרוב. במחקר מ-2009 השתמשו חוקרים בזוהר הזה כדי לצלם ננו-צינוריות בודדות במים, בעזרת מיקרוסקופ פלואורסצנטי. הצינוריות התכופפו קדימה ואחורה כשהנוזל שסביבן דחף אותן באקראי, תנועה הנקראת תנועה בראונית.

מהכפיפה הזו מצאו החוקרים שקשיחותה של ננו-צינורית גדלה בהתאם לקוטרה בחזקה שלישית. צינורית רחבה פי שניים קשה פי שמונה לכיפוף. היחס הגדול בין אורכן לרוחבן, חוזקן ותכונותיהן החשמליות הופכים את הננו-צינוריות למתאימות מאוד לשימוש בחומרים הנדסיים וברפואה.

מקורות

• 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.