Koolstofnanobuis: een buisje van koolstofatomen dat sterker is dan staal
Een koolstofnanobuis is een microscopisch kleine cilinder die volledig is opgebouwd uit koolstofatomen. Die atomen liggen gerangschikt in een honingraatpatroon, hetzelfde patroon als in grafeen, het beroemde laagje koolstof van één atoom dik. Rol je zo'n laagje op tot een rietje, dan krijg je een koolstofnanobuis. De doorsnede is extreem klein: ongeveer 1 tot 2 nanometer, wat betekent dat je er zo'n honderdduizend naast elkaar nodig hebt om de breedte van een mensenhaar te overbruggen. De lengte kan daarentegen oplopen tot centimeters, wat de buis een bijzonder langgerekte, draadachtige vorm geeft.
Wat deze buisjes zo interessant maakt, is de combinatie van eigenschappen die je normaal niet in één materiaal tegenkomt. Ze zijn, per gewicht, sterker dan staal, geleiden warmte en elektriciteit uitstekend en zijn extreem licht. Vergelijk het met een spinnendraad: dun en nietig ogend, maar verhoudingsgewijs verbazend sterk. Koolstofnanobuizen tillen dat principe naar een ander niveau, omdat ze niet uit eiwitten maar uit een vrijwel perfect geordend rooster van koolstofatomen bestaan.
Wat is het precies?
De basis is grafeen: een vlak rooster van koolstofatomen, elk verbonden met drie buren in een zeshoekig patroon. Dit type binding heet sp2-hybridisatie, een term die aangeeft hoe de elektronen van het koolstofatoom zich rond de kern verdelen om stevige, vlakke bindingen te vormen. Wanneer je een stuk grafeen denkbeeldig oprolt tot een buis, ontstaat een koolstofnanobuis.
De manier waarop het rooster wordt opgerold, de zogeheten chiraliteit, bepaalt of de buis zich gedraagt als een metaal (goede elektrische geleider) of als een halfgeleider (zoals silicium in computerchips). Dat is meteen een van de grootste uitdagingen in het veld: bij productie ontstaat meestal een mengsel van metallische en halfgeleidende buizen, terwijl veel toepassingen juist één specifiek type nodig hebben.
Er bestaan twee hoofdvormen. Een single-wall nanotube (SWCNT) is één enkele opgerolde laag. Een multi-wall nanotube (MWCNT) bestaat uit meerdere buizen die in elkaar passen, zoals Russische matroesjka-poppen. MWCNT's zijn goedkoper te maken en worden al op grote schaal industrieel geproduceerd, vooral via chemical vapor deposition (CVD): een koolstofhoudend gas wordt bij hoge temperatuur over kleine metaaldeeltjes geleid, waarna de koolstofatomen zich op die deeltjes ordenen tot groeiende buisjes.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is simpel: een materiaal dat sterk, licht en geleidend is, levert in bijna elke technische toepassing voordeel op. In de materiaalkunde wil men koolstofnanobuizen mengen in kunststoffen en composieten, zodat vliegtuigonderdelen, sportartikelen of windmolenwieken sterker worden zonder extra gewicht.
In de energiesector worden de buisjes al toegepast als geleidend additief in lithium-ionbatterijen: een klein beetje nanobuis zorgt voor een beter elektrisch netwerk tussen de batteriedeeltjes, wat de levensduur en laadsnelheid verbetert. In de elektronica hoopt men dat koolstofnanobuizen op termijn silicium kunnen aanvullen of vervangen in transistors, omdat silicium tegen natuurkundige grenzen aanloopt naarmate chips kleiner worden.
Daarnaast lopen er onderzoekslijnen naar waterfiltratie (nanobuizen als minuscule filterkanaaltjes), sensoren die chemische stoffen kunnen detecteren, en warmtemanagement in elektronica. Een ver toekomstbeeld, vaak genoemd maar nog puur speculatief, is de ruimtelift: een kabel van de aarde naar een baan in de ruimte, waarvoor je een materiaal nodig hebt met een trekvastigheid die alleen koolstofnanobuizen in theorie zouden kunnen evenaren. In de praktijk is dat idee nog ver buiten bereik.
Voorbeelden uit de praktijk
De ontdekking wordt meestal toegeschreven aan Sumio Iijima, onderzoeker bij NEC Corporation in Japan, die in 1991 met een elektronenmicroscoop multi-wall koolstofnanobuizen waarnam en beschreef. Dit moment geldt als het startpunt van het onderzoeksveld.
In 2013 publiceerde IBM Research in Yorktown Heights een werkende, zij het eenvoudige, computer waarvan de transistors volledig uit koolstofnanobuizen bestonden. Het was een bescheiden machine, maar het bewees dat digitale schakelingen op basis van deze buisjes daadwerkelijk konden functioneren.
Een grote stap in complexiteit kwam in 2019, toen onderzoekers van het MIT onder leiding van Max Shulaker een 16-bit microprocessor bouwden, de RV16XNano, volledig opgebouwd uit koolstofnanobuis-transistors. Het bleef een onderzoeksproject zonder commerciële toepassing, maar het was de meest geavanceerde chip van dit type tot dan toe.
Op industriële schaal produceert het Luxemburgse bedrijf OCSiAl sinds ongeveer 2014 single-wall nanobuizen onder de merknaam Tuball, die wereldwijd worden verkocht als geleidend additief voor lithium-ionbatterijen en rubber.
In de sportwereld werkte Zyvex Technologies midden jaren 2000 samen met Easton-Bell Sports om fietsframes en honkbalknuppels te versterken met koolstofnanobuizen, wat resulteerde in lichtere en stijvere producten die daadwerkelijk in de winkel kwamen.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkeling kent twee heel verschillende snelheden. Aan de ene kant is de productie van multi-wall nanobuizen als bulkmateriaal volwassen: er wordt op tonnenschaal geproduceerd en toegepast, vooral als additief in batterijen, rubber en composieten. Dit is al jaren gangbare industrie, geen toekomstbeeld meer.
Aan de andere kant staat de elektronicatoepassing, met zuivere, consistent halfgeleidende single-wall buizen, nog grotendeels in het laboratorium. Het grootste obstakel is zuiverheid: huidige productiemethoden leveren een mengsel van metallische en halfgeleidende buizen, en zelfs een klein aandeel metallische buizen kan een schakeling verstoren. Onderzoekers werken aan sorteertechnieken en gecontroleerde groei, maar een betaalbare, foutloze productieketen op grote schaal is er nog niet.
Er is ook een veiligheidskwestie die serieus genomen wordt. Sommige lange, stijve multi-wall nanobuizen hebben een vezelvorm die qua afmetingen doet denken aan asbestvezels. Dierstudies hebben aanleiding gegeven tot zorgen over mogelijke longschade bij inademing van bepaalde typen. Instanties zoals het Amerikaanse NIOSH en het Europese ECHA onderzoeken en monitoren dit, en industriële productie gebeurt inmiddels met aangepaste veiligheidsmaatregelen. Het is geen reden tot paniek, maar wel een punt waarover eerlijk gerapporteerd moet worden: niet elk koolstofnanobuisje is per definitie veilig, en het risico hangt sterk af van vorm, lengte en blootstelling.
Wie werken eraan?
Japan speelt historisch een grote rol: naast NEC, waar Iijima de buizen ontdekte, doet ook het Japanse onderzoeksinstituut AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) al decennia fundamenteel werk. Showa Denko is een Japanse producent van koolstofnanobuismateriaal.
In de Verenigde Staten zijn Rice University (waar Nobelprijswinnaar Richard Smalley een pionier was in de bredere nanokoolstofchemie) en MIT belangrijke academische centra. IBM Research blijft actief op het gebied van nanobuis-elektronica.
In Europa zijn Nanocyl (België) en Arkema (Frankrijk, met het merk Graphistrength) industriële producenten, terwijl het Franse onderzoekscentrum CNRS fundamenteel materiaalonderzoek verricht. OCSiAl, met Luxemburgse roots en productiefaciliteiten in onder meer Servië, is wereldwijd een van de grootste leveranciers van single-wall nanobuizen.
China heeft de afgelopen jaren een sterk groeiende industrie opgebouwd, met producenten als Cnano Technology en veel universitair onderzoek, onder andere aan Tsinghua University, gericht op zowel productie als toepassingen in batterijen en composieten.