Föreningar och kompositer baserade på nanostrukturerat kol

Projektbeskrivning

Sedan 1985 vet man att rent kol kan förekomma i molekylär form. Dessa molekyler kan vara antingen mer eller mindre klotformade, fullerener, eller rörformade med en hönsnätsliknande struktur, kolnanorör. I detta projekt vill vi studera båda dessa former.

Kolnanorör är de starkaste molekyler vi känner till, minst 100 ggr starkare per kilo än det starkaste stål. Det vore önskvärt att kunna använda detta lätta, starka material som byggnads- och konstruktionsmaterial i avancerade tillämpningar, t ex vid bro- eller husbyggen, eller för att bygga lätta, starka flygplan, tåg och bilar. Eftersom enskilda molekyler inte kan användas tekniskt är det idag ett viktigt forskningsfält att söka vägar att kemiskt binda dessa rörformade molekyler till varandra. Tyvärr är kol inte särskilt samarbetsvilligt i det fallet, och även om vissa framsteg gjorts är det vanligaste användningssättet i dag att blanda kolnanorör med polymerer eller metaller till ett kompositmaterial. Dessa material är dock inte särskilt mycket starkare än vanliga stål eller kolfiberkompositer.

Ett annat sätt att använda fullerener och kolnanorör är att omvandla dem till metallisk form (”dopning”) genom att tillsätta metalljoner, t.ex. kalium eller litium. På detta sätt kan man till och med göra fullerener till högtemperatursupraledare. Många kolnanorör har också själva mycket hög ledningsförmåga eftersom de visar s.k. "ballistisk" ledningsförmåga, och deras egenskaper gör dem mycket lämpliga för framtida tillämpningar inom datortekniken. Experiment har också visat att kolnanorör kan användas som elektroder i litiumjonbatterier med dubbelt så hög kapacitet som dagens batterier.

I detta projekt vill vi fortsätta att dels studera egenskaperna hos kolnanorör och dopade fullerener var för sig, dels studera olika blandade material där båda ingår. I båda fallen vill vi särskilt veta vad som händer under höga tryck. Temperaturen bestämmer fördelningen av elektroner och gittervibrationer i olika energitillstånd i ett material, medan en ändring av trycket (volymen) ger en mer grundläggande ändring av själva energitillstånden. De flesta egenskaper ändras därför kraftigt när material trycks ihop.
Vi har redan studerat rena kolnanorör och rena fullerener och fullerenpolymerer i detalj, och vi arbetar för närvarande med att bestämma bandgapets tryckberoende i en serie alkalimetalldopade fullerener som ofta spontant polymeriserar vid tillverkningen. Nyligen har vi också undersökt Rb4C60; i motsats till tidigare studier ser vi inga tecken på att detta material övergår till metallisk form under höga tryck.
Särskilt intressant är fallet med de blandade materialen. Ett intressant forskningsområde är att fylla nanorör med fullerener och skapa "ärtskidor". Sådana ärtskidor kan också dopas, och dessa material kan ha mycket intressanta egenskaper. Vi har länge arbetat med att kemiskt binda ihop, polymerisera, fullerener under tryck, och vi har nyligen lyckats tillverka kovalent bundna fullerenkedjor också inuti ärtskidor. Inom detta projekt kommer vi att försöka blanda i också andra typer av molekyler inuti dessa ärtskidor, och se om vi kan skapa ännu fler nya typer av material på det sättet.

Ett annat delprojekt är att få kolnanorör att reagera kemiskt, så att vi kan binda ihop molekylerna. Många grupper kan redan göra detta genom att först binda sidogrupper till nanorören och sedan reagera dessa sidogrupper med varandra, men en nackdel är att varje sidogrupp försvagar nanorören. Vi kommer att försöka binda rören till varandra genom behandling under höga tryck, möjligen genom att använda fullerener som länkar mellan sidogrupperna. Detta kan vara en möjlig metod för att verkligen skapa de mycket lätta och starka material som vi beskrev ovan.