Buigende buckybuizen; Tegenstrijdige metingen aan gebogen nanotubes

Buckybuisjes zouden stijver en sterker zijn dan welk ander materiaal ook. Metingen van twee onderzoeksgroepen leverden totaal ver- schillende resultaten op.

NA DE HYPE OVER de buckyballen, culminerend in de Nobelprijs voor hun ontdekkers, lijkt nu de tijd gekomen voor hun langgerekte koolstofbroertjes, de buckybuizen. Voor sommigen vormen de grafieten pijpjes de basis van een nieuwe generatie van elektronische schakelingen, de nano-elektronica (Science, 3 oktober 1997). Anderen zien de buisjes als bouwstenen voor moleculaire constructies, of als kleinste gascylinders ter wereld (Science, 15 augustus 1997). En waar de buckyballen hun commerciële waarde op geen enkele manier vermochten waar te maken, schijnen de nanotubes klaar te zijn voor de race naar de 'technological marketplace', zoals New Scientist vorig jaar schreef. Het is jammer dat een heel interessant wetenschappelijk fenomeen zo overschaduwd raakt door al het gedoe er omheen. Gelukkig wordt er ook nog altijd mooi onderzoek gedaan om gewoon meer te weten te komen over deze exotische moleculen.

Zo zouden ze over ongekende mechanische eigenschappen moeten beschikken. De binding tussen koolstofatomen in een grafietlaag is immers even sterk als die in diamant, en door de in zichzelf gesloten, holle pijpstructuur zouden ze stijver en sterker moeten zijn dan welk ander materiaal dan ook. Tot nu toe kon daarover alleen nog maar worden gespeculeerd aan de hand van theoretische overwegingen en opnames met een hoge-resolutie elektronenmicroscoop. Uit dergelijke beelden bleek al dat buisjes uiterst flexibel zijn en onder hoge spanning eigenlijk nauwelijks kunnen worden gebroken. Vorig jaar werd voor het eerst de elasticiteitsmodulus echt bepaald, een directe maat voor de stijfheid van een buisje. Dat gebeurde nog wel op een indirecte manier, door onder de microscoop de uitwijkingen te meten die het gevolg zijn van thermische trillingen. Er werden waarden gemeten van meer dan een terapascal (10 pascal), hetgeen een record betekende. Opvallend was daarbij nog dat de dunste buisjes het stijfst bleken te zijn.

Onlangs slaagden twee verschillende groepen erin afzonderlijke buisjes te buigen en er tegelijkertijd metingen aan te doen. De artikelen waarin de onderzoekers hun resultaten beschrijven werden in dezelfde week ingediend, en verschenen vlak na elkaar in Nature (9 oktober 1997) en Science (26 september 1997). In beide gevallen werd gebruik gemaakt van een atomaire krachtsmicroscoop (AFM), waarin - net als bij het afspelen van een grammofoonplaat - met behulp van een dunne naald een oppervlak kan worden afgescand.

De verschillen tussen beide onderzoeken blijken enorm. De onderzoekers van de universiteit van North Carolina die in Nature verslag doen, maakten het zich gemakkelijk. Ze legden buckybuisjes op een vlakke ondergrond en beeldden deze met de AFM af. Vervolgens maakten ze gebruik van het feit dat hier en daar wel eens een buisje aan één kant bedolven raakt onder losse stukken koolstof ('carbon debris'), waardoor het aan de ondergrond wordt vastgehouden. Die buisjes werden met behulp van de naald van de AFM kromgebogen en opnieuw afgebeeld. Tijdens het buigen over soms wel meer dan 180° bleken ze enigszins ontwricht te raken en ontstonden er op bepaalde plaatsen zelfs knikken. Omdat deze in het algemeen weer verdwenen wanneer het buisje werd teruggebogen, was de conclusie dat ze een rol speelden bij het verminderen van interne spanningen. Ten slotte werd nog gerekend aan de afstanden tussen de knikken, maar dat leverde niet meer dan een kwalitatieve overeenkomst op met de experimentele waarnemingen. Afgezien van de plaatjes, die bijna vanzelfsprekend de voorkant van Nature haalden, was er dus eigenlijk weinig écht opwindends te melden.

Hoe anders was dat voor de resultaten van een groep van Harvard University. Daar werden met behulp van lithografische technieken buckytubes op een slimme manier aan het oppervlak verankerd. Daardoor kon er zelfs bij heel hoge buigspanningen worden gemeten. Want hoewel ook beelden werden opgenomen van knikkende buisjes, vormen uiterst nauwkeurige kwantitatieve bepalingen de solide basis van heel dit onderzoek. Verder werden niet alleen buckytubes onderzocht, maar ook 'nanostaafjes' van siliciumcarbide. Dat bracht weer interessante verschillen aan het licht tussen deze materialen, die allebei als veelbelovende toevoegingen worden gezien ter versterking van keramiek, plastics en metalen, in zogenaamde composieten. Voor de nanostaafjes werd een elasticiteitsmodulus bepaald van 0.6 terapascal, wat goed overeenkomt met theoretische voorspellingen. De buckybuisjes bleken een stuk stijver te zijn, zoals overigens ook al eerder was gevonden. Daarmee werd de stelregel weer eens bevestigd dat hoe kleiner de structuur, hoe beter de mechanische eigenschappen. Zwakke plekken zijn namelijk bijna altijd het gevolg van defecten, kleine onvolkomenheden in de atomaire structuur. En hoe kleiner het staafje, des te kleiner de kans op dergelijke 'foutjes'.

Voor toepassing in composieten is met name de buigsterkte van belang. Ook die werd voor beide materialen bepaald, waarbij de nanostaafjes er het beste uitkwamen. Zij vertonen namelijk geen elastische knikken bij hoge belastingen, en kunnen dus uiteindelijk alleen maar worden gebroken. Wanneer ze helemaal zonder defecten zouden kunnen worden gemaakt, zouden ze zonder enige twijfel het sterkste materiaal zijn dat ooit is gefabriceerd. Maar zover is het nog niet.