Keşfedildikleri ilk günden bu yana, karbon nanotüpler malzemeler dünyasında bir mucize olarak görülüyordu. Metalik ve yarı iletken formları bulunuyor, son derece hafif ve inanılmaz derecede güçlüydüler; yalnızca kimyasal bağlar kırılarak parçalanabiliyorlardı. Kullanım alanları için hayal gücünün sınırları zorlanıyordu.
Ancak pratikte bu malzemelerle çalışmanın zorlukları kendini gösterdi. Saf metalik veya yarı iletken formları elde etmek güçtü. Üretim teknikleri genellikle kısa nanotüplerin bir yumağına yol açıyordu; birkaç santimetreyi aşan uzunlukta olanları bulmak ise nadirdi. Metalik versiyonu elektrik akımını taşıma konusunda çok az direnç gösterse de, nanotüpün içinden çok sayıda elektron göndermek zordu.
Buna rağmen, malzeme bilimcileri inatçı bir kitle ve bu malzemeleri işe yarar hale getirmek için hala çabalıyorlar. Teknoscope'un edindiği bilgilere göre, bilim dünyasında önemli bir yayın organı olan Science dergisinde yayımlanan yeni bir çalışma, karbon nanotüp demetlerine eklenen bir kimyasalın, akım taşıma kapasitelerini bakırın seviyelerine yaklaştırdığını ortaya koyuyor. Bu daha iletken nanotüplerin tam olarak stabil olmasa da, bu keşif daha uzun ömürlü çözümlere giden yolu aydınlatabilir.
Dopalanmış Nanotüpler ile İletkenliği Artırma
Karbon nanotüplerin çeşitli formları mevcuttur. Tek duvarlı nanotüplerde, bir grafen tabakasını alıp, onu bir silindir şeklinde yuvarlayarak ve bir araya getirdiğiniz iki zıt ucu birbirine bağlayarak hayal edebilirsiniz. Bunlar farklı çaplarda da olabilir. Çok duvarlı karbon nanotüpler de bulunur; bu türlerde ikinci (ve belki üçüncü, hatta daha fazlası) bir nanotüp, ilkini saran bir yapı oluşturur.
Metalik olduklarında, elektron akışına karşı çok az direnç gösterirler. Ancak, elektronlarının büyük bir kısmı nanotübü oluşturan kimyasal bağlara bağlı olduğundan, akım taşımak için kullanılabilecek yeterli miktarda elektron bulunmaz. Bu nedenle, birçok araştırmacı dopantlar - yani malzemenin genel davranışını değiştiren, az miktarda karıştırılabilen kimyasallar - geliştirmeye çalışmıştır. Bu özel durumda amaç, nanotüp boyunca taşınabilecek akım miktarını artıracak şekilde elektron bağışlayıcısı olarak davranacak kimyasallar bulmaktı.
Açıkçası, izole edilmiş nanotüplerin dopanlarla doğrudan etkileşimi pek mümkün değildir, çünkü oldukça kendi içlerinde kapalıdırlar. Ancak yeni çalışmanın arkasındaki, İspanya merkezli ekip, çeşitli uzunluklardaki nanotüplerin bir karışımından oluşan ve çoğunlukla bireysel nanotüplerin lifin uzun ekseni boyunca hizalandığı toplu nanotüp lifleri üzerinde çalışıyordu. Bu lifler çift duvarlı karbon nanotüplerden yapılmıştı ve iç kısımları oldukça tutarlı bir yapıya sahipti.
Bu liflerin iç uzayını, bir kutuya küresel nesneler doldurmaya benzetebiliriz. En verimli paketleme düzenlemesinde bile, komşu küreler arasında boşluklar kalacaktır. Aynı şekilde, bu lifler de ek kimyasalların lifin içine dahil edilmesine izin veren iç boşluklara sahiptir.
Nanotüp lifleri ticari bir tedarikçiden temin edilmiştir. Bu lifleri doplamak için araştırmacılar, fazladan elektrona sahip yüklü bir molekül olan tetrachloroaluminat veya AlCl4– kullanmaya karar verdiler. Bunu nanotüpler arasındaki boşluklara sokmak için, alüminyum triklorür buharı ve ek bir klor kaynağı kullandılar. Bu buhar, liflerin içine sızarak yerinde yüklü tetrachloroaluminatı oluşturdu.
Akım Taşıma Kapasitesi Artıyor
Çalışmanın büyük bir bölümü, beklenen kimyasalın nanotüpler arasındaki boşluklarda bulunduğunu doğrulayan görüntüleme ve spektroskopi analizlerinden oluşmaktadır. Ayrıca, yoğunluk fonksiyonel teorisi kullanılarak yapılan ve sonuçlanan doplamanın, akım taşımak için ek elektronların kullanılabilir hale gelmesini sağlayacağının tahmin edildiği birçok modelleme de yer almaktadır. Genel olarak, elde edilen malzemenin C39AlCl4 kimyasal formülüne sahip olduğu ve kimyasal değişikliklerin lifin fiziksel boyutunu etkilemeden gerçekleştiği tahmin edilmektedir.
Asıl ilginç sonuçlar, araştırmacılar malzemenin akım taşıma kapasitesini incelemeye başladıklarında ortaya çıkıyor. Alüminyum bazlı doplama, ortalama iletkenliği 10 kat artırdı. Bu, daha önce test edilen herhangi bir dopantın ulaştığı en yüksek seviyeye yakındır. Test ettikleri en yüksek bireysel lif, bu artışın 15 kattan fazlasına ulaşmasını sağladı ve alüminyumun iletkenliğinin yaklaşık %70'ine denk geliyor (bu da bakırın yarısından biraz daha az iyi olduğu anlamına gelir).
Bununla birlikte, bu doplamanın zaten çok hafif olan malzemeye çok fazla kütle eklememesi önemli bir özelliktir. Bu nedenle, yoğunluğa göre normalize edildiğinde, doplanmış karbon nanotüp lifleri bakırı geride bıraktı.
Bu, yapay bir standart gibi görünebilir, ancak alanın sorun olmadığı ve/veya ağırlığın önemli olduğu uygulamalarda gerçek bir fark yaratabilir. Yani, kablolamanın iki katından biraz daha kalın olmasına tolerans gösterebilirseniz, o zaman aksi takdirde ihtiyacınız olacak bakır telden daha kalın bir nanotüp lifi kullanma seçeneği olabilir. Başka bir uygulama, düşük ağırlıkla aynı performansı elde etmenin destek kulelerinden tasarruf sağlayabileceği yüksek kapasiteli iletim hatları olabilir.
Bu son uygulamayla ilgili olarak, doplama, (çok dayanıklı) karbon nanotüp liflerinin dayanıklılığını değiştirmez. Bakır veya alüminyumdan daha yüksek çekme mukavemetine sahiptirler ve çeliğe daha yakındırlar.
Ancak, hemen karbon nanotüp vadeli işlemlerine yatırım yapmak isteyeceğinizden, önemli bir sorun var: Tetrachloroaluminat, havadaki su molekülleriyle reaksiyona gireceği için normal çevresel koşullar altında stabil değildir. Araştırmacılar, lifleri bir polimer kaplamayla kapatarak kullanım ömrünü uzatabildiler, ancak yine de on yıllar yerine haftalarla ölçülen bir ömrü vardı.
Bu, bu araştırmanın işe yaramaz olduğu anlamına gelmez. Karbon nanotüp liflerinin maliyeti düşürülebilirse, bu malzemelerin potansiyelini açıkça göstermektedir. İletkenliği artıran yüksek etkili bir dopantın yapısal ve kimyasal özelliklerini belirlemişlerdir, bu da nihayetinde onu değiştirebilecek benzer ancak daha stabil bir kimyasal tanımlamamıza olanak tanıyabilir.
