Burada nanotüpleri daha iyi anlamak amacıyla, karbonun ilginç yapısı ve nanotüpleri anlatmaya en elverişli element oluşu nedeniyle ‘Karbon Nanotüpler’ anlatılmıştır. Karbon atomları arasındaki bağlanma geometrisi farklı olursa karbondan oluşan malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri farklılık gösterebilir. Periyodik cetvelin IV. grup elementi olan karbonun 6 elektronu vardır (1s² 2s² 2p²) ve bağlanmaya katılan 4 elektronu bulunur, bu özelliği sayesinde büyük önem kazanmıştır. Ayrıca tüm canlı varlıkların yapısında karbon bulunması da karbonun önemli ve ilginç bir element olduğunu gösteriyor.
Karbon nanotüplerin tarihi, 1984 yılında R.E. Smalley ve arkadaşları tarafından karbon atomunun yapay allotroplarından biri olan ‘fulleren’lerin bulunmasıyla ve rastlantı sonucu 1991’de NEC laboratuvarlarında (Japonya) çalışan Sumio Ijima’nın, fullerenlerden silindir şeklinde nano yapılar elde etmesiyle başlar. Ijima tarafından 1991’de bulunan “Karbon Nanotüpler” çok dikkat çekmiştir. Gerçekten çok kuvvetli mekanik özellikleri ve çok iyi elektrik ve ısıl iletkenler olduğu belirlenmiştir. biyolojiden, kimya, elektrik, makine mühendisliği ve malzeme bilimlerine kadar bir çok alanda uygulaması yapılmaktadır.
Fulleren Nedir?
1984’te R.E. Smalley ve arkadaşları grafiti laserle buharlaştırarak ilk kez karbon atomlarının top şeklinde kafesler halinde olduğunu gördüler. 1985’te H.W. Kroto, R.E. Smalley ve arkadaşları bu karbon topları izole ederek bu yapıların tümüyle bilinmesini sağlayacak ilk adımı attılar (Bu buluş onlara 1996 yılında Nobel ödülü kazandırdı). Karbonu farklı kılan ilginç özelliklerinden biri de çok sayıda allotropunun olmasıdır, bunlardan bazıları yapay olarak elde edilir. Bu yapay allotroplar; fulleren ve karbon nanotüpler olan karbonun bazı allotroplarının özelliklerini kısaca şu şekilde ifade edebiliriz;
- Elmas : 3 boyutlu yarı iletkendir ve karbon atomları sp³ şeklinde bağlanır.
- Grafit : 2 boyutlu ve yarı metaliktir. Karbon atomları sp² şeklinde bağlanır.
- Karbon nanotüp : 1 boyutlu iletken ve yarıiletken yapılardır, karbon atomları sp² şeklinde bağlanır.
- Fulleren : 0 boyutlu yapılardır. En az 20 atomludurlar. 1000 atomlu olanları da gözlenebilir. Mekanik ve elektronik özelliği en iyi bilinen ve en sağlamı C60’tır. Genel olarak fulleren denir.
Fullerenler, farklı sayıda atomun bir araya gelmesiyle oluşan genelde küre görünüşlü, farklı elektriksel ve optik özellikleri olan nano yapılardır.
Şekil 1: ( a) ve (b) de moleküler kafes görünümünde olan yapılar: C60 ve C70, bazı özellikleri bakımından diğer fullerenlerden daha üstündür, fakat C60 mekanik ve elektriksel özellikleri yönünden C70 ‘den daha üstündür. (d) de bir ucu fulleren kullanılarak kapatılmış tek duvarlı nanotüp yapısı, (e) de ise çok duvarlı karbon nanotüp yapı görülmektedir.
Şekil 2 : En küçük fulleren yapısı C20
20 karbon atomundan oluşan 12 yüzlü bu yapının, büyük halka gerginliği ve yüksek reaktivitesi nedeniyle sentezlenmesi uzun zaman almıştır.
Grafit’in buharlaştırılmasıyla oluşan nano yapıların %75 ini C60, %23 ini de C70 oluşturmaktadır. Fullerenler kristal yüzeylerine bırakıldıklarında, yüzeyin elektriksel ve optik özelliklerini değiştirebilmektedirler, bu sayede yüzeye gelen ışınlar istenildiği gibi absorbe edilebilir veya yansıtılabilir.
Şekil 3: FT-ICR (Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance) Kütle Spektroskopi
Şekil 4 : FT-ICR nin şematik gösterimi
Atomik kütle spektrometri madde içinde bulunan elementlerin ne olduğunu tesbit etmek için kullanılır. Kütle ve fotoeletron spektroskopileri yardımıyla fulleren yapıları tespit edilebilir. Ayrıntılı bilgi için Bkz. http://www.chm.bris.ac.uk/ms/theory/fticr-massspec.html ve http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_spectrometry
Bundan sonraki karbon nanotüpler ile ilgili makalemizde karbon nanotüplerin yapısına ve yapı kusurlarına değineceğiz.
Kenan Elibol – KuarkMNB , Tarih:11.12.2008
Kaynak: http://www.pa.msu.edu
