Süsiniknanotorud (CNTs – carbon nanotubes) on uudishimust ajendatud uurimustööks väga veetlev uurimisobjekt. Aga kas neid on lõpuks võimalik kasutada ka laiatarbe seadmetes?
Süsiniknanotorude võimalikud rakendused seadmetes tulenevad üheseinaliste nanotorude (SWNT – single wall nanotube) märkimisväärsetest omadustest, nagu näiteks teadaolevalt kõrgeim Youngi moodul, kõrgeim soojusjuhtivus, ballistiline elektronide transport ja kõrge küljesuhtega (aspect ratio) struktuur. Tänaseks on nanotorudel põhinevate seadete valmistamine lükkunud edasi selle materjali suuremas koguses valmistamise raskuste ja nende kasvu kontrollimise keerukuse tõttu.
Kuna varustamise seisukord on praegu paranemas, on aeg vaadata neid seadmeid rakenduste seisukohalt. Kaalume rakendusi neljal laial alal: komposiidid, väljaemissioon (field emission), elektroonika, elektrokeemia.
Komposiidid
Süsiniknanotorudel põhinev painduv ekraan.
Kõrge külgsuhe (pikkuse ja raadiuse suhe) ja kõrge juhtivus muudavad süsiniknanotorud juhtivates komposiitides kasutamiseks suurepäraseks materjaliks. Olemasolevad juhtivad komposiidid on valmistatud süsiniku tahmast (carbon black) polümeeris. Tänapäeval kasutatakse aga näiteks epoksiidvaiguga segatud mitmeseinalisi süsiniknanotorusid (MWNT – multi-walled carbon nanotubes), et viia läbi pindade elektrostaatilist värvimist.
Nanotorude komposiitide abil saadakse võrreldes süsinikfiibrite või süsiniku tahma komposiitidega palju parem pinnaviimistlus. Transpordi temaatika all võib lisaks välja tuua lennuki tiibade ja kere antistaatilise kaitse.
Tuleviku kasutusalana tasuks mainida elektromagneetilise interferentsi varjestust, mis on paljude tööstusharude jaoks kriitilise tähtsusega. Selline seadeldis vajab komposiiti, mille juhtivus on 1 S•cm. See tähendab seda, et süsinikfaas peab olema ülijuhtiv ja see on loodetavasti saavutatav, kui täitematerjalina kasutatakse CNT-si.
Juhtivaid komposiite saaks kasutada ka läbipaistvate juhtivate materjalidena. Selliste materjalide turg on eriti lai just elektroonikaseadmete ekraanide valdkonnas. Praegu tegeletakse painduvate läbipaistvate materjalide väljatöötamisega, milleks tavapärane indiumtinaoksiid (ITO) ei ole oma hapruse tõttu kuigi hea. Juhtivad üheseinalised CNT komposiidid on läbipaistvad, kui need on piisavalt õhukesed. Nende suureks eeliseks on suur painduvus ja hea ühilduvus polümeeralustega.
Väljaemissioon
Kõrge küljesuhe teeb CNT-d ka ideaalseks väljaemissooni (FE – field emission) materjaliks. FE-ks nimetatakse elektronide kiirgust tahkisest intensiivse elektrivälja toimel. CNT-del on parem FE sooritus kui teistel süsiniku liikidel, nagu näiteks teemantil ja teematisarnasel söel.
CNT-de selge rakendus FE valdkonnas on elektronkahur järgmise põlvkonna skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM – scanning electron microscope) ja transmissioon elektronmikroskoobi (TEM – transmissioon electron microscope) jaoks. Selles rakenduses tuleks eelistada MWNT-sid, sest neil on suurem mehhaaniline jäikus. Lisaks saaks CNT-sid rakendada kõrge võimsusega mikrolainevõimendites FE katoodides.
Kolmas võimalik rakendus on CNT-de kasutamine väikeste röntgenkiirgusallikate elektronallikana. CNT katoodist väljuv elektronkiir kiirendatakse, et see tabaks metallpinda, tekitades nii röntgenkiiri. Väike suure heleduse ja pulseeriva elektronkiirega seade võimaldab kujutise reprodutseerimist reaalajas. Selline seade peaks konkureerima eksisteerivate röntgenkiirte allikatega ja 3-dimensiooniliste tomograafiliste reprodutseerimistehnikatega.
Neljas reaalne rakendus on FE ekraanid (FEDs – field emission displays). See rakendus on olnud suureks huviobjektiks, sest vastav elektroonikatööstus laieneb pidevalt ning kogu ekraanide turg toob sisse ligi 50 miljardit dollarit aastas. FED-e eelised praegu turul domineerivate LCD-dega võrreldes on suurem videomäär, suurem võimsusefektiivsus, sest see on valgust väljastav ekraan, ja suurem opereerimistemperatuuride vahemik.
Teised FE rakendused, nagu näiteks elektronallikad lampide jaoks, on mitteärilised ettevõtmised. FE seaded, mida võib kanda edu, on sellised, kus hind ei ole põhiline näitaja – näiteks elektronkahurid SEM-ides.
Elektrokeemia
Üheseinalise süsiniknanotoru sisse lõksustatud vesiniku aatomid.
Kolmas potentsiaalne ala CNT-de rakendusteks on elektrokeemia. Grafiit on hästi tuntud kui stabiilne elektroodmaterjal, mis ei redutseeru ega oksüdeeru üle suure potentsiaaliulatuse. CNT-de suur pindala ja madal takistus teeb need elektrokeemia jaoks väga huvipakkuvaks.
CNT-sid saaks kasutada superkondensaatorite elektroodides, seda just nende suure kontrollitava pindala tõttu. SWNT-del on süsinikmaterjalidest suurim pindala-mahu suhe, kuna kõik selle aatomid asuvad pinnal, tehes sellest parima elektroodmaterjali. CNT-de eeliseks on ka see, et neil on palju madalam takistus kui praegu elektroodide valmistamisel kasutataval aktiveeritud söel, võimaldades seega suurendada võimsustihedust. Limiteerivaks teguriks on CNT-de halb ühilduvus polümeerist alustega, seda saab aga teha madalatel temperatuuridel ja madala kuluga, kuna aktiveeritud süsi on väga odav.
Teiste võimalike rakendustena võib välja tuua CNT-de kasutamise vesinikku hoiustavate seadmetena energiatööstuses ning CNT-de kasvatamise kütuseelementide elektroodmaterjalidena.
Elektroonika
CNT väljatransistor.
CNT-d võimaldavad kanda kõigist metallidest suurimat voolutihedust, näiteks 1000 korda suuremat kui vask. On hästi teada, et ränipõhiste pooljuhtkomponentide suurused vähenevad jätkuvalt, see lubab aga transistoritevahelistel ühendustel aina suuremaid voolutihedusi kanda – selleks sobivad CNT-d hästi.
Autor: Inga Põldsalu
Referaat põhineb John Robertsoni artiklil ,,Realistic applications of CNTs“.
Leave a Reply