Aplicații ale Nanotuburilor de Carbon în Electronică

UNIVERSITATEA POLITHENICA BUCUREȘTI

FACULTATEA DE ELECTRONICĂ, TELECOMUNICAȚII ȘI INGINERIA INFORMAȚIEI

NANOTEHNOLOGIA

Aplicații ale nanotuburilor de carbon în electronică

2015

1.Noțiuni introductive

Nanotehnologia reprezintă orice tehnologie al cărui produs finit este de ordin nanometric și care se bazeaza pe abilitatea de a construi structuri complexe respectând specificații la nivel atomic folosindu-se de sinteza mecanică. Ordinul nanometric conferă structurilor unele proprietăți deosebite, spre deosebire de forma sa la nivel macroscopic. În sens restrâns, nanoștiința si nanotehnologia se ocupă cu studiul si aplicația lucrurilor extrem de mici si pot fi utilizate în orice domeniu științific, cum ar fi: biologia, chimia, fizica, știința materialelor și ingineria. Conceptul de nanotehnologie se caracterizează prin faptul că toate procesele care se studiază și se produc, au ca unitate de referință nanometrul, ce reprezintă a miliarda parte dintr-un metru (3-4 atomi).

Ideile si conceptele din spatele nanotehnologiei au luat naștere în urma unei prezentări a fizicianului Richard Feynman numită “There’s Plenty of Room at the Bottom” care a avut loc la una din Întâlnirile Fizice Americane în cadrul Institutului de Tehnologie din California pe 29 decembrie 1959, cu mult înainte ca termenul „nanotehnologie” să fie folosit pentru prima dată. În prezentarea sa, Feynman a descris un proces în care oamenii de știință ar putea să manipuleze și să controleze atomi si molecule individuale. Un deceniu mai târziu, în timpul cercetărilor sale în domeniul mașinăriilor de ultraprecizie, profesorul Norio Taniguchi a definit termenul de „nanotehnologie”. Cu toate acestea, apariția nanotehnologiei a avut loc mult mai târziu, în anul 1981, când microscopul a evoluat îndeajuns încât să poată percepe atomii în mod individual.

Așadar, nanotehnologia este o tehnologie care a avut un impact major în special în domeniul creării de noi materiale, mare parte din cercetările din cadrul acestui domeniu concentrându-se pe nanotuburile de carbon.

Carbonul se află printre elementele cele mai răspândite în natură, chiar dacă procentul aflat în scoarța pământului nu este mai mare de 0,35%. El este o componentă atât a lumii minerale, cât și a lumii organice. Carbonul este, de asemenea, un element deosebit din mai multe motive. Printre formele sale diverse se găsește și una dintre cele mai moi (grafit), dar si una dintre cele mai dure (diamant) dintre substanțele cunoscute. Capacitatea sa de a forma legături chimice cu alți atomi mici, chiar și de carbon, este remarcabilă, iar mărimea sa îi conferă abilitatea de a forma legături multiple.

Povestea nanotuburilor începe în anul 1991, când japonezul Sumio Iijima, specialist în domeniul microscopiei electronice, a devenit interesat de problema fulerenelor, o clasă de compuși de atomi de carbon. Acestea au fost descoperite de către Harold Kroto, Richard Smalley și Robert Curl în 1985 în cadrul Rice University, fapt care le-a adus ulterior premiul Nobel în chimie, în 1996. Pentru a fabrica fulerenele, Ijima folosea un cuptor special, cu atmosferă inertă, în interiorul căruia se declanșa un arc electric între doi electrozi de carbon pur. În urma experimentelor rezultau fulerene, dar și reziduuri care, în urma unor cercetări, s-au dovedit a fi nanotuburile de carbon. Așadar, descoperirea fulerenelor a fost rapid urmată de descoperirea nanotuburilor de carbon, a căror construcție oferea un viitor promițător în domeniul creării de noi materiale.

2.Nanotuburi de carbon

2.1.Structura

Nanotuburile de carbon sunt alelotropi ai carbonului cu o nanostructură cilindrică. Acestea au fost construite cu o proporție a lungimii la diametru de 132,000,000:1, mult mai mare decât a altor materiale. Aceste molecule au proprietăți neobișnuite ce sunt utile în nanotehnologie, electronică, optică și alte domenii ale științei materialelor și tehnologiei. În plus, din cauza conductivității lor termice ieșite din comun și a proprietăților electrice și mecanice, nanotuburile de carbon sunt folosite ca aditivi în diverse structuri de materiale. Spre exemplu, le putem întâlni în bâte de baseball, crose de golf, anumite părți componente ale mașinilor și în oțelul de damasc.

Denumirea de „nanotub” este derivată din structura lor lungă și goală, cu pereți formați dintr-un strat de carbon de grosimea unui atom, numit grafen. Aceste structuri sunt îndoite la unghiuri specifice numite „chiral” și combinația de unghiuri și raze decide proprietățile nanotubului, spre exemplu când exteriorul nanotubului este un metal sau un semiconductor.

2.2.Defecte

Ca în cazul oricărui material, existența unor defecte în rețeaua cristalelor afectează proprietățile acestuia. Dacă vacantele din rețeaua nanotubului sunt în număr mare, acestea pot scădea rezistența la întindere cu până la 85%. Un alt defect care poate aduce probleme este cel Stone Wales, care creează o pereche formată dintr-un pentagon și un heptagon prin rearanjarea legăturilor. Din cauza structurii extrem de mici a nanotuburilor, rezistența la întindere depinde de cel mai slab segment, ca într-un lanț unde rezistența celei mai slabe verigi oferă rezistența maximă posibilă.

Defectele în cristale afectează si proprietățile electrice ale nanotuburilor, rezultând o conductivitate mai mică în regiunea cu defecte a tubului. Este de asemenea posibil ca acea regiune să devină semiconductoare iar o singură vacanță monoatomică să inducă proprietăți magnetice. Defectele afectează foarte mult și proprietățile termice.

2.3.Clasificare

Nanotuburile sunt împărțite în două categorii: formate dintr-un singur perete (SWNT) sau formate din mai mulți pereți (MWNT). Nanotuburile individuale se alinează în mod natural în „frânghii” ținute în această formă de forțele Van der Waals.

Cele mai multe nanotuburi cu un singur perete (SWNT) au un diametru de aproape 1 nanometru și o lungime a tubului care poate fi de mii de ori mai mare. Nanotuburile cu un singur perete sunt importante deoarece au proprietăți electrice care nu se găsesc la nanotuburile cu mai mulți pereți, de aceea ele sunt niște conductori electrici foarte buni. Cel mai probabil ele vor fi folosite în miniaturizarea produselor electronice.

Nanotuburile cu mai mulți pereți (MWNT) sunt formate din mai multe straturi de grafit rulate in jurul propriei axe pentru realizarea unei forme de tub.

Primul nanotub de carbon pe care Iijima l-a observat în 1991 era un nanotub cu mai mulți pereți: fiecarea conținea un număr de straturi de grafit ce erau aranjate în cilindri concentrici goi care se aflau unul în celălalt.

Sunt două modele care pot descrie structura nanotuburilor cu mai mulți pereți. Primul model se mai numește și modelul păpușilor rusești – cel care presupune aranjarea foilor de grafit una în interiorul celeilalte, sub formă cilindrică. Cel de-al doilea model presupune rularea unei singure foi de grafit în jurul ei, la o distanță de 33 Å.

2.4.Proprietăți

După cum am menționat mai sus, nanotuburile de carbon au impresionante caracteristici chimice, mecanice, electrice, optice și termice. Aceste proprietăți recomandă nanotuburile pentru o gamă variată de utilizări.

Reactivitatea chimică: Reactivitatea chimică a nanotuburilor de carbon este comparabilă cu o foaie de grafenă, ce apare ca un rezultat direct al curburii de pe suprafața nanotuburilor. Reactivitatea nanotuburilor de carbon este datorată direct nepotrivirii lui pi-orbital cauzată de creșterea curburii. Așadar, trebuie făcută o distincție între peretele lateral și capătul de vârf al nanotubului. Din același motiv, un diametru mai mic al nanotubului rezultă prin creșterea reactivității.

Proprietăți mecanice: Nanotuburile de carbon sunt unele dintre cele mai bune materiale descoperite în privința rezistenței la întindere și a modulului de elasticitate. Această rezistență provine din legăturile covalente de tip sp2 care se află între atomii de carbon. În anul 2000, în urma unor experimente, s-a constatat că un nanotub de carbon cu mai mulți pereți avea o rezistență la întindere de 63 Gpa. Altfel spus, nanotuburile pot rezista la aplicarea unei mase de 6300 kg pe o suprafață de 1 mm².

Activitatea optică: Studiile teoretice au dezvăluit că activitatea optică a nanotuburilor dispare dacă nanotuburile devin mai lungi. Prin urmare, este de așteptat ca și alte proprietăți fizice să fie influențate de acești parametri. Folosirea activității optice trebuie să rezulte în dispozitive optice pentru care nanotuburile de carbon joacă un rol important.

Proprietăți electrice: Nanotuburile conduc curent electric doar atunci când primesc energie, asemeni oricărui conductor. Primirea acestei energii este urmată de trecerea electronilor din banda de valență în cea de conducție, iar cantitatea necesară de energie pentru ca electronii să se poată „mișca” depinde numai de lățimea benzii interzise, care are mărimi diverse în ceea ce privește nanotuburile.

2.5.Toxicologie

Deși s-a demonstrat că o serie de nanoparticule sunt toxice, se cunoaște foarte puțin despre mecanism. Literatura științifică referitoare la nanotoxicologie cuprindre un număr de 800 de publicații, în general vorbindu-se despre efectele citotoxice ale nanomaterialelor în sisteme de culturi de celule. De exemplu, s-a demonstrat recent că particule exogene conținând zinc și aluminiu au efecte toxice asupra germinării și creșterii rădăcinilor în zonele însămânțate cu 6 specii de plante agricole relevante.

Prima întâlnire dedicată toxicității și determinării riscurilor folosirii nanoparticulelor a avut loc în anul 2007, în Stockholm, iar recent, grupuri de oameni de știință s-au implicat în cercetări asupra interacțiilor nanoparticulelor, cum ar fi cele dintre nanotuburile de carbon și celule.

În 1997, cercetătorii britanici au dezvăluit unul dintre efectele nocive ale nanoparticulelor pentru organismul uman: nanoparticulele de dioxid de titan sau oxid de zinc din ecranele solare participă la formarea radicalilor liberi în celulele pielii și distrug ADN, fapt care poate conduce la mutații și poate favoriza apariția cancerului.

2.6. Obținerea nanotuburilor de carbon

Una dintre problemele cele mai importante care sunt întâmpinate atunci când se dorește trecerea la exploatarea comercială a unui material este cea a fabricației. În ziua de azi există metode uzuale de obținere a nanotuburilor de carbon, pe care le vom discuta în continuare.

Vaporizarea cu arc: Metoda vaporizării cu arc a carbonului este cea mai des utilizată și probabil cea mai simplă de a produce nanotuburi de carbon. Prin urmare, este o metodă care produce un amestec de componente și urmărește separarea nanotuburilor de compus și de metalele catalizatoare prezente în produsul brut. Această metodă creează nanotuburi prin vaporizarea cu arc a doua vergele de carbon puse cap la cap, la o distanță de aproximativ 1 mm, într-o incintă cu gaz inert (heliu, argon), la o presiune joasă (între 50 și 700 mbar). Recentele investigații au demonstrat, de asemenea, că există posibilitatea de a crea nanotuburi cu metoda arcului în azot lichit.

Nanotuburile monostrat rezultate în urma acestei metode sunt tuburi scurte cu diametre cuprinse între 0,6 și 1,4 nm, iar nanotuburile multistrat sunt niște tuburi cu diametre interioare cuprinse între 1 și 3 nm și diametre exterioare în jur de 10 nm.

Avantajele acestei metode constau în faptul că nanotuburile monostrat cât și cele multistrat se pot obține foarte ușor. Nanotuburile monostrat pot avea mici defecte structurale, iar cele multistrat pot fi obținute fără catalizator, e o metodă ieftină și e posibilă obținerea în aer liber.

Dezavantajele metodei constau în faptul că tuburile tind să fie scurte cu dimensiuni și direcții aleatoare și au uneori nevoie de un proces de purificare destul de costisitor.

Vaporizarea cu laser: Grafitul este descompus printr-un impuls intens al laserului, care generează un gaz bogat în carbon din care se formează nanotuburile.

Nanotuburile monostrat în urma acestei metode reprezintă niște legături de 5-20 microni, cu diametrul individual de 1-2 nm. În cazul nanotuburilor multistrat de carbon, nu există prea mult interes în această metodă, deoarece este foarte scumpă.

Avantajul metodei este faptul că nanotuburile monostrat de carbon au un bun control al diametrului si doar câteva defecte, așadar produsul rezultat este complet pur.

Dezavantajul este faptul că metoda este costisitoare și necesită lasere scumpe și putere de alimentare ridicată. Totuși, evoluțiile recente din domeniul laserelor de mare putere fac ca această metodă să aibă un potențial ridicat în viitor.

Depunerea chimică: Se plasează substratul în cuptor, se încălzește la 600 de grade Celsius și pe parcurs se adaugă lent un gaz purtător de carbon, de exemplu CH4. Odată ce gazul se descompune, atomii de carbon sunt eliberați, aceștia recombinându-se în forme de nanotuburi.

Nanotuburile monostrat de carbon obținute sunt tuburi lungi cu diametre în jur de 0,6-4 nm, iar nanotuburile multistrat de carbon sunt, la fel, lungi cu diametre de 10-240 nm.

Avantajele metodei constau în posibilitatea de a obține nanotuburi pe scară largă, până la cantități industriale, durata mică a procesului, dar și simplitatea sa. Diametrul nanotuburilor monostrat de carbon este controlabil, iar procesul de recombinare nu este afectat de impurități, nanotuburile rezultate fiind complet pure.

Dezavantajul major constră în faptul că nanotuburile sunt, în general, monostrat prin care se strecoară mici defecte.

3.Aplicații ale nanotuburilor de carbon în electronică

3.1.Primul computer cu nanotuburi de carbon din lume

O echipă de cercetători de la Universitatea Stanford a atins succesul, reușind să construiască un calculator funcțional pe bază de nanotuburi de carbon, cu o viteză comparabilă cu cea a unui calculator din anii 1950. Calculatorul are doar câțiva milimetri pătrați și are abilitatea de a efectua operații de bază cu ajutorul a 178 de tranzistori, fiecare folosind între 10-200 nanotuburi de carbon. Capacitatea sa de procesare este, în schimb, de milioane de ori mai slabă decât cea a computerelor moderne.

„Suntem pe cale de a deschide o nouă eră în electronică, odată cu descoperirea nanotuburilor de carbon, care pot înlocui tehnologia bazată pe siliciu, iar noi am făcut câteva demonstrații de sisteme digitale complete folosind această interesantă tehnologie”, declară profesorul Subhasish Mitra, liderul cercetării.

3.2.Microroboți în medicină

La Universitatea Tonhuku din Japonia, inginerul Kazushi Ishiyama și grupul său de cercetare au proiectat mici spirale rotative electronice, capabile să înoate chiar și prin interiorul celor mai subțiri vene. Dacă este nevoie, aceste dispozitive au abilitatea de a penetra anumite tumori pentru a le slăbi și pot „ajuta” anumite țesuturi și organe să se vindece. Acești nanoboți pot fi injectați în organism cu ajutorul acelor hipodermice și reacționează impulsurilor exercitate de o telecomandă. Ishiyama consideră că aceste dispozitive și altele asemenea lor se vor dovedi extrem de eficiente din punct de vedere medical, mai ales în ceea ce privește îndepărtarea tumorilor cerebrale, foarte greu de operat.

3.3. Bateria din hârtie și nanotuburi de carbon

La Universitatea Standford, un grup de cercetători a reușit să creeze o baterie din hârtie de xerox. Ea a fost îmbibată cu o cerneală neagră în care se găsesc nanotuburi de carbon și nanoconductori din argint. După ce a stat un timp într-un cuptor pentru ca apa din cerneală să se evapore, hârtia a căpătat conductivitate și a putut fi încărcată cu energie electrică. Conform celor care au lucrat la acest proiect, o baterie construită astfel suportă 40.000 de cicluri încărcare-descărcare, depășind performanța unei baterii Li-ion.

Primul avantaj evident al bateriei din hârtie este flexibilitatea. Ea se poate modela în multe forme și dimensiuni. Cu atât mai mult, dacă hârtia tratată cu cerneala specială este îndoită sau mototolită, ea nu-și pierde proprietățile.

3.4. Un posibil leac pentru cancer

În războiul umanității cu cancerul a apărut o nouă armă: nanotuburile de carbon care, încălzite prin intermediul luminii apropae de stadiul de infraroșu ard celulele canceroase din corp. Dezvoltate de către cercetătorii de la University of Texas Southwestern Medical Center, aceste nanotuburi sunt mai rezistente decât oțelul și pot fi atașate anticorpilor care caută celule canceroase. Apoi, razele luminoase sunt proiectate, încălzind tuburile până ce cancerul este distrus. Acest proces se numește „Terapia Kanzius”.

Studiile inițiale pe celulele animale, dar și pe cele umane au arătat o distrugere de 100% a celulelor canceroase în 48 de ore, în timp ce celulele sănătoase nu erau atacate.

3.5. Tranzistoare de 9nm cu nanotuburi de carbon

Deși tranzistoarele cu canal de siliciu nu pot fi realizate la dimensiuni mai mici de 10 nm, IBM a reușit, în 2012, să creeze primul tranzistor de 9 nm, înlocuind canalul de siliciu dintre „porțile” tranzistorului cu un nanotub de carbon.

În plus, tranzistorul IBM este mult mai performant decât unul din siliciu, având un consum de energie mult mai mic si putând transporta mai mult curent decât dispozitivele de siliciu comparabile, ceea ce duce la un semnal mult mai bun. Totuși, pentru ca acest tip de tranzistori să poată fi produs în masă, este necesarea găsirea unei metode ieftine de realizare a acestor nanotuburi de carbon, în prezent acestea fiind scumpe și greu de obținut.

3.6. Celule solare din nanotuburi de carbon

O altă aplicație impresionantă a nanotuburilor de carbon pare să aibă potențial în stocarea energiei solare. Modificarea nanotuburilor de carbon poate ajuta la păstrarea căldurii solare pe termen îndelungat și pot fi reîncărcate la soare. Pentru că această căldură solară nu este transformată în electricitate, păstrarea sa într-o formă chimică are avantaje considerabile din moment ce un material chimic poate fi păstrat pentru mult timp, condiția sa nefiind deteriorată.

Astfel, chiar o echipă de cercetători români lucrând la Centrul de Știința Suprafeței și Nanotehnologie din cadrul Universității Politehnica București, a realizat pentru prima oară în România celule solare de generația a 3-a, cu ajutorul nanotuburilor de carbon obținute în laborator.

3.7. Televizoare FED cu nanotuburi de carbon

O echipă de cercetători americani a pus la punct o tehnologie care permite realizarea în producția de masă de nanodevice-uri, ceea ce ar putea conduce la înlocuirea televizoarelor LCD cu cele de tip FED (Field Emission Display).

Televizoarele FED sunt similare cu CRT-urile ca și calitate a imaginii, dar în loc de un tub catodic folosesc o rețea de nanotuburi de carbon, care sunt cele mai eficiente emițătoare de electroni cunoscute deocamdată, permițând astfel ca televizorul să aibă doar câțiva milimetri grosime. Acest tip de televizoare are multiple avantaje față de LCD-uri și plasme, consumând mai puțină putere, fiind mai ieftine de produs și putând ajunge la o rezoluție mult mai mare.

Dacă nanotubul de carbon va fi adoptat pentru fabricarea ecranelor FED, aceste ecrane ar putea înlocui LCD-urile relativ repede.

4. Concluzii

Nanotehnologia va ajuta omenirea să își depășească limitele pe care și le-a impus până acum iar nanotuburile sunt fundatia versatilă pe care se proiectează acest viitor ambițios.

Datorită proprietăților deosebite pe care le posedă, materialele nanostructurate sunt folosite în diferite noi aplicații și se pot întrevedea utilizări fantastice într-un viitor nu foarte îndepărtat. Se sugerează că, într-o zi, cu ajutorul nanotuburilor va fi construit un ascensor în spațiul cosmic, ca să nu mai vorbim de cablurile banale, pentru nevoile terestre.

Este foarte probabil ca nanotehnologiile să fie utilizate pe scară foarte largă. Unii prevădapariția unor procesoare de computer inimaginabil de mici sau a unor aparate minuscule care să depisteze și să remedieze arterele deteriorate din corpul uman. Nanotehnologiile ar putea genera energie alternativã, ne-ar putea prelungi viața și ar putea îmbunătăți multe tehnologii deja existente. Și acestea își fac deja apariția. Pe piață există deja peste 1.000 de produse care folosesc nanomateriale.

Deși ne apropiem cu pași repezi de o lume în care vom avea lifturi până în spatiu și calculatoare ultra performante, nu trebuie să uităm de riscurile la care ne putem expune și să luăm măsuri de reglementare a folosirii acestei tehnologii, cât și de instruirea corespunzătoare a oamenilor în vederea utilizării acestora.

În concluzie, nanotuburile sunt materiale cu proprietăți remarcabile care ne pot îmbunătăți semnificativ viața cotidiană, avantajele acestei noi tehnologii fiind nelimitate.

Bibliografie

Brănescu Claudia Raluca – Lucrare „Nanotuburi de carbon (CNT)”, an 2014

Conicov Iulia – Lucrare „Nanotuburi de carbon”, an 2009

Stancu Mihaela – Teză de doctorat „Sinteza și caracterizarea unor nanostructuri cu atomi de carbon”

Descopera.ro – Articol „Nanotehnologia: “Îngerii” microscopici ai viitorului”

Nanopinion.eu – Prezentare „Ce sunt nanotehnologiile?”

Nano.gov – Prezentare „What is Nanotechnology?”

Wikipedia – Articole „Nanotub de carbon”, „Carbon”, „Fulerenă”

Ziare.com – Articol „Revoluționar: Primul computer cu nanotuburi de carbon din lume”

Prof. Dana-Anișoara Punei – Lucrare „Aplicații ale nanotuburilor de carbon”