Karbon Nanotüpler (CNTs), tek katmanlı karbon atomlarının (grafen) yuvarlanmış tabakalarından oluşan silindirik moleküllerdir. Çapı 1 nanometreden az olan tek duvarlı (SWCNT) veya 100 nanometreden daha büyük çaplara sahip eş merkezli olarak birbirine bağlı birkaç nanotüpten oluşan çok duvarlı (MWCNT) olabilirler. Uzunlukları birkaç mikrometre veya milimetreye ulaşabilmektedir. Karbon Nanotüpler, yapıtaşı olan grafen gibi son derece güçlü moleküler etkileşim olan sp2 bağları ile kimyasal olarak bağlıdır. Bu özellik, nanotüplerin Van der Waals kuvvetleri aracılığı ile birleştiğinde son derece iletken elektriksel ve termal özelliklere sahip, yüksek mukavemetli, düşük ağırlıklı malzemeler geliştirme fırsatı sağlar.
Karbon nanotüplerin üretiminde önemli olan, açı ve kiral vektördür (grafen katmanlarının yuvarlanma yönü). Bu etkenler malzemenin elektriksel özelliklerini belirler. Kiralite, nanotüpün altıgen karbon atomu kafesinin açısını tanımlar. Açıya göre koltuk ve zikzak şeklinde nanotüpler oluşur ve koltuk nanotüpleri mükemmel iletkenlik için tercih edilirken, zikzak nanotüpler yarı iletken özellik göstermektedir. Buna ek olarak çok duvarlı nanotüpler her zaman iletkenlik (metallerle aynı seviyede) sağlarken, tek duvarlıların iletkenliği ise kiral vektörüne bağlı olarak değişmektedir.
Şu anda karbon nanotüplerin üretimi için üç ana yöntem mevcuttur: ark deşarjı, grafitin lazerle ablasyonu ve kimyasal buhar biriktirme (CVD). İlk iki işlemde grafit elektriksel olarak veya bir lazer vasıtasıyla yakılır ve gaz fazında gelişen nanotüpler ayrılır. Her üç yöntem de katalizör olarak metallerin (örneğin demir, kobalt, nikel) kullanılmasını gerektirir. CVD süreci, daha kolay kontrol edilebilir koşullar altında ve daha düşük maliyetle daha büyük miktarlarda CNT üretimine izin verdiği için şu anda en büyük vaatleri yerine getiriyor. CVD işleminde üreticiler, yüksek sıcaklıklı bir fırın içindeki katalizör üzerinde karbon nanotüpler oluşturmak için bir metal katalizörü (demir gibi) karbon içeren reaksiyon gazlarıyla (hidrojen veya karbon monoksit gibi) birleştirebilirler.
CVD süreci tamamen katalitik veya plazma destekli olabilir. İkincisi, katalitik işlemden (750°C’ye kadar) biraz daha düşük sıcaklıklar (200-500°C) gerektirir ve “çim benzeri” CNT büyümesi oluşturmayı hedefler. Yüksek saflıkta karbon nanotüpleri elde etmek için sentetik teknikler geliştirilmiş olsa da metal kapsüllenmiş nanopartiküller, bir karbon nanotüpün ucundaki metal partiküller ve amorf karbon gibi safsızlıklar içeren yan ürünlerin oluşumu kaçınılmaz bir fenomendir. Çünkü metal nanopartiküller nanotüp büyümesi için gereklidir. Bu yabancı nanoparçacıkların yanı sıra sentez sırasında meydana gelen yapısal kusurlar, üretilen karbon nanotüplerin fiziko-kimyasal özelliklerini değiştirdiklerine dair talihsiz bir sonuca sahiptir. Bu nedenle karbon nanotüplerin üretim sürecinin sonunda asit muamelesi veya ultrason gibi çeşitli yöntemlerle saflaştırılması gerekir (arıtma).
Karbon nanotüp özellikli nanokompozitler; mekanik, elektriksel, termal, bariyer ve elektriksel iletkenlik, artan gerilme mukavemeti, iyileştirilmiş ısı sapma sıcaklığı veya alev geciktirme gibi kimyasal özelliklerinden dolayı geleneksel kompozit malzemelere oldukça çekici bir alternatif olarak büyük ilgi görmüştür. Bu malzemeler, daha fazla aşınma direnci ve kırılma mukavemeti; anti statik özellikler ve ağırlık azaltımı sunmayı vaat ediyor. Örneğin, gelişmiş CNT kompozitlerinin uçak ve uzay aracının ağırlığını %30’a kadar azaltabileceği tahmin ediliyor. Bu kompozit malzemeler hâlihazırda kullanım alanı bulmaktadır. Spor malzemeleri (bisiklet gövdeleri, tenis raketleri, hokey sopaları, golf sopaları ve topları, kayaklar, kanolar; spor okları) yatçılık (direkler, tekneler ve yelkenli teknelerin diğer kısımları) tekstiller (anti statik ve elektriksel olarak iletken tekstiller (‘akıllı tekstiller’); kurşun geçirmez yelekler, suya dayanıklı ve alev geciktirici gibi.
Eda Nur AKSU
Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği
KTO Karatay Üniversitesi