16 juni 2011 -
Koolstof nanobuisjes. Ze zijn tientallen malen sterker dan staal, geleiden stroom duizendmaal beter dan koper en het zijn ook nog eens geweldige warmtegeleiders. Dr. Tamara Druzhinina maakte deze wonderbuisjes in een magnetron: een nieuwe, snelle, eenvoudige en goedkope productiemethode. Ze promoveerde afgelopen dinsdag, 14 juni.
Tamara Druzhinina. Foto | Bart van Overbeeke
De mogelijke toepassingen van koolstof nanobuisjes lopen uiteen van gebruik in zonnecellen en batterijen, voor waterstofopslag, atoomkrachtmicroscopie, nanopincetten, supersterke materialen en nano-elektronica. Geen wonder dat veel wetenschappers proberen uit te vinden hoe je deze bijzondere structuren het beste kunt maken en verwerken. Sinds de ontdekking, twintig jaar geleden, van de nanobuisjes -eigenlijk de opgerolde variant van die andere wonderlijke verschijningsvorm van koolstof, grafeen- zijn dan ook al diverse productiemethodes gevonden. Zo worden de buisjes gemaakt met ontladingen door grafieten elektrodes, door een laser op een koolstof oppervlak te schieten, en door het opdampen van koolstof op een substraat met katalysator.
De Russische dr. Tamara Druzhinina was de laatste Eindhovense promovenda uit de vorig jaar naar Jena verhuisde groep van prof.dr. Ulrich Schubert. Volgens haar is er nog veel onbekend over het ontstaan van de buisjes, maar hebben de belangrijkste productiemethoden een paar dingen gemeenschappelijk. "Je hebt een katalysator nodig die je moet verwarmen. Als je daar vervolgens een bron van koolstof aan toevoegt, vormen zich spontaan nanobuisjes." Afhankelijk van de precieze omstandigheden ontstaan enkellaags nanobuisjes, met een wand van slechts een koolstofatoom dik, of nanobuisjes met wanden die bestaan uit meerdere lagen. "Multilaags buisjes zijn eigenlijk opgebouwd uit buisjes in buisjes, zoals de bekende Russische matroesjka's. Daarom heb ik ook gekozen voor matroesjka's als illustratie op de cover van mijn proefschrift."
Druzhinina heeft voor haar promotie een nieuwe loot aan de stam van productiemethoden gecreëerd, met behulp van microgolfstraling. Hiertoe stopte ze een siliciumplaatje met hierop respectievelijk ijzer-, nikkel- of kobalt nanodeeltjes in een reageerbuisje met ethanol. De ethanol -"wodka", grapt de Russische- doet dienst als koolstofbron. Het reageerbuisje stopte ze vervolgens in een magnetron die het siliciumplaatje en vooral de katalysatordeeltjes met zijn microgolfstraling verwarmt.
Nikkel bleek de beste katalysator en al bij een temperatuur van 250 graden groeiden er multilaags nanobuisjes op het siliciumsubstraat met nikkeldeeltjes. Druzhinina: "Die temperatuur is heel laag, in het algemeen heb je temperaturen van 800 tot 1200 graden nodig. Ik denk dan ook dat de lokale temperatuur wel hoger zal zijn, maar dat de inhoud van de reageerbuis niet boven de 250 graden komt, is belangrijk. Dat betekent namelijk dat je met microgolfstraling buisjes kunt laten groeien op bijvoorbeeld chips zonder dat andere onderdelen op die chip smelten door de hoge temperatuur."
Toen Druzhinina eenmaal een werkende methode had om zelf buisjes te maken, wilde ze ook een stap verder gaan: de buisjes precies daar laten groeien waar ze ook nut hebben. Zo probeerde ze een nanobuisje te laten groeien op de tip van een atoomkrachtmicroscoop. Een koolstof nanobuisje is door zijn minimale diameter, sterkte en geleidingsvermogen ideaal als verlenger van de tip: "Hoe dunner de tip van de naald waarmee je met dit apparaat over oppervlakken scant, hoe nauwkeuriger je dit oppervlak in beeld kunt brengen". Het lukte de Russische met haar microgolfmethode inderdaad om een buisje op de gewenste plek te laten groeien, al werden de buisjes nog wel wat krom. "Eigenlijk moeten ze recht zijn", geeft ze toe. "Maar het is al een hele prestatie om überhaupt een buisje op de tip van een naald te laten groeien. Bovendien kun je dat probleem verhelpen door het buisje in te korten. "
Druzhinina liet ook nanobuisjes groeien in voorgeschreven patronen die ze aanbracht in een laag speciale moleculen op een siliciumplaatje. Door deze laag in contact te brengen met een metalen rooster onder elektrische spanning, wordt ter plekke een chemische reactie opgewekt (elektro-oxidatie) waardoor alleen in dit roosterpatroon nikkeldeeltjes blijven plakken en dus ook alleen daar nanobuisjes groeien.
In principe kun je op de hierboven beschreven manier allerlei patronen creëren en zo geleidende structuren maken op chips, maar voor echte nano-elektronica wil je individuele nanobuisjes als elektriciteitsdraad gebruiken. Ook dat lukte de promovenda uiteindelijk. Niet door de buisjes ter plekke te laten groeien, maar door ze vanuit een oplossing op een oppervlak te brengen met een voorgeschreven patroon. Dit patroon maakte Druzhinina wederom via elektro-oxidatie, maar nu door een spanning te zetten op de tip van de atoomkrachtmicroscoop en hiermee extreem dunne lijnen te schrijven. Hierdoor veranderen de eigenschappen van het bestreken gebied dusdanig, dat alleen daar nanobuisjes uit de oplossing bleven plakken. Met twee gekruiste koolstofbuisjes wist Druzhinina de basis te leggen voor een nanotransistor.
De magnetronmethode zou wel eens een interessante aanvulling kunnen blijken op de bestaande manieren om koolstofbuisjes te maken, zoals verhitting met lasers en het opdampen van koolstof ('chemical vapour deposition'), denkt Druzhinina. "Die methodes zijn voor bepaalde toepassingen wel geschikt, maar ze hebben ook nadelen. Door de hoge temperaturen ben je beperkt in de keuze van materialen waarmee je kunt werken en het gebruik van explosieve gassen kan gevaarlijk zijn. Bovendien kun je in het algemeen de buisjes niet direct op de juiste plek laten groeien. Onze methode is sneller, goedkoper en eenvoudiger." (TJ)
Carbon nanotubes. They're dozens of times stronger than steel, conduct electricity a thousand times better than copper, and are excellent heat conductors at that. Dr. Tamara Druzhinina created these wonder tubes in a microwave: a new, fast, easy and cheap way of producing them. She received her PhD last Tuesday, June 14.
Cursor als PDF
)
