Niemand betwist dat koolstofnanobuisjes het potentieel hebben om een ​​wondertechnologie te zijn:hun eigenschappen omvatten een thermische geleidbaarheid die hoger is dan die van diamant, grotere mechanische sterkte dan staal - ordes van grootte in gewicht - en betere elektrische geleidbaarheid dan koper.

Maar, net als andere 'geweldige technologieën van de toekomst', zijn we over het hypen van nanobuisjes? Zijn ze bijna geslaagd voor de echte test - die van wijdverbreid praktisch gebruik? Het antwoord is een gekwalificeerde ja. Het succes van koolstofnanobuizen (CNT's) wordt bewezen door een verrassende statistiek:de wereldwijde commerciële productiecapaciteit overschrijdt momenteel enkele duizenden tonnen per jaar, volgens dr. Michael De Volder, onlangs benoemd tot docent aan het Department of Engineering's Institute for Manufacturing. Maar het is een productieniveau dat ongeveer 20 jaar heeft geduurd om te bereiken.

"Het begin van wijdverbreid onderzoek naar koolstofnanobuisjes werd in de jaren negentig voorafgegaan door het eerste wetenschappelijke rapport van CNT's, hoewel holle koolstofnanofilamenten al in de jaren vijftig werden gerapporteerd, " zegt Dr. De Volder. "Echter, aan koolstof nanobuisjes gerelateerde commerciële activiteit is het afgelopen decennium het sterkst gegroeid. Sinds 2006, de wereldwijde productiecapaciteit van koolstofnanobuisjes is minstens vertienvoudigd."

Dr. De Volder's recente wetenschappelijke overzichtsartikel over commercieel verkrijgbare toepassingen van koolstofnanobuisjes geeft een idee van hoe wijdverbreid een echte impact de technologie begint te maken [M. De Volder et al, Wetenschap 339, 2013]. Neem waterzuiveraars, bijvoorbeeld, de grootte, oppervlakte en adsorptie-eigenschappen van koolstofnanobuisjes maken ze een ideaal membraan voor het filteren van giftige chemicaliën, opgeloste zouten en biologische verontreinigingen uit water. Het Amerikaanse bedrijf Seldon Technologies heeft het mineraalwatersysteem ontwikkeld met behulp van zijn "Nanomesh Purification Technology" - een filtersysteem met koolstof nanobuisjes - om precies dat te doen. Het bedrijf zegt dat zijn systeem drinkwater levert zonder het gebruik van chemicaliën, warmte, of macht:essentieel voor gebruik in ontwikkelingslanden waar het het meest nodig is. Het filter verwijdert ziekteverwekkers en verontreinigingen zoals virussen, bacteriën, cysten en sporen, het leveren van water dat voldoet aan of overtreft de USEPA Drinkwater Standard. Het is geschikt voor gebruik in woningen, kantoren, scholen, klinieken, en andere commerciële omgevingen, zegt Seldon.

Het enorme oppervlak van koolstofnanobuisjes wordt ook benut wanneer ze worden gebruikt als elektroden in batterijen en condensatoren om meer stroom en betere elektrische en mechanische stabiliteit te bieden dan andere materialen. Wereldwijde onderzoeksinspanningen op dit gebied hebben de ontwikkeling van commerciële activiteiten in bedrijven zoals Showa Denko (Batteries, Japan), en FastCAP (Supercaps, ONS). De eigenschappen van koolstofnanobuisjes maken ze ideaal voor het verbeteren van verschillende soorten structuren, bijvoorbeeld sportuitrusting, harnas, voertuigen, enzovoort., waar ze veel worden gebruikt. De nanobuisjes creëren netwerken binnen het composietmateriaal om bijvoorbeeld de stijfheid en materiaaldemping te vergroten.

Sportfabrikanten gebruiken ze in tennis- en badmintonrackets, en fietsframes. Maar terwijl koolstofnanobuizen in praktische toepassingen worden gebruikt, het betekent niet dat hun meer wijdverbreide gebruik niet probleemloos zal zijn.

"Er zijn een aantal obstakels die we nog niet hebben opgelost, " zegt Dr. De Volder. "Vooral bij high-end targets, zoals de zoektocht naar betere transistors, de exacte morfologie van de nanobuis en de oriëntatie van het grafeenrooster ten opzichte van de buisas - de chiraliteit genoemd - is erg belangrijk. Op dit moment, we hebben weinig vermogen om koolstofnanobuizen te synthetiseren met specifieke soorten chiraliteit en het is dit dat de halfgeleidende versus geleidende eigenschappen van de koolstofnanobuizen bepaalt.

"Een van de interessante dingen die gebeuren, is de verbetering in computersimulaties van hoe koolstofnanobuizen worden gesynthetiseerd, waarmee we hopelijk het fabricageproces kunnen aanpassen. En elektronenmicroscopie maakt het mogelijk om naar de koolstofnanobuisjes te kijken terwijl ze worden gevormd, wat helpt om het proces beter te begrijpen."

Dr. De Volder werkt zelf aan de uitdaging van massaproductie van apparaten met honderden tot duizenden nanobuisjes.

"Helaas, als je ze in groten getale samenbrengt, de cijfers van verdienste voor hun eigenschappen zijn vaak teleurstellend in vergelijking met wat je krijgt van een individuele koolstofnanobuis. Ik probeer technieken te ontwikkelen om deeltjes op efficiëntere manieren bij elkaar te brengen, of kijken naar nieuwe opkomende eigenschappen van de materialen, afhankelijk van hoe je de koolstofnanobuisjes bij elkaar brengt."

Hoe dan ook, er wordt nu vooruitgang geboekt met SWNT's, met het Britse bedrijf Thomas Swan als wereldleider in het maken van SWNT's met zijn Elicarb-materiaal, nu gebruikt in gebieden zoals geavanceerde composieten, elektronica, energie opslag, afdrukken, papier en verpakkingen en brandstofcellen.

Een andere recente ontwikkeling in SWNT's – in juni aangekondigd door Linde Electronics – is de ontwikkeling van een koolstof nanobuis-inkt voor gebruik in displays, sensoren en andere elektronische apparaten. Mogelijke toepassingen zijn smartphones met een oprolbaar scherm en een doorzichtig GPS-apparaat ingebed in de voorruit van een auto.

"Linde stelt zijn nanobuisinkten nu beschikbaar aan ontwikkelaars, " zegt dr. Sian Fogden, markt- en technologieontwikkelingsmanager voor de nanomaterialen-eenheid van Linde. "Deze inkten bevatten enkelwandige koolstofnanobuisjes en worden geproduceerd zonder de nanobuisjes te beschadigen of in te korten en daardoor behouden ze de unieke eigenschappen van nanobuisjes."

Linde beweert dat dit een baanbrekende ontwikkeling is die de prestaties van transparante geleidende dunne films gemaakt van de inkten drastisch verbetert en de deur opent voor de ontwikkeling van koolstofnanobuistoepassingen in niet alleen consumentenelektronica, maar ook de sectoren gezondheidszorg en sensorproductie.

Omdat nanobuisjes lang en dun zijn, ze hebben hoge van der Waals-krachten tussen hen in en ze plakken aan elkaar. De standaardmanier om ze te scheiden is met behulp van krachtige geluidsgolven. Maar dit kan de nanobuisjes beschadigen en hun eigenschappen aantasten.

"Met onze inkten, we gebruiken een proces genaamd Salt Enhanced Electrostatic Repulsion (SEER) dat geen sonicatie vereist, maar dat oplossingen van individuele koolstofnanobuisjes produceert terwijl de lengte van de nanobuis behouden blijft, " Dr. Fogden zegt. "Pas zeer recent zijn producten zoals aanraakschermen begonnen te produceren die enkelwandige koolstofnanobuisjes bevatten en deze apparaten moeten nog op de volledige consumentenmarkt worden gelanceerd. Pas wanneer het ruwe koolstof nanobuismateriaal volledig op een betrouwbare en herhaalbare manier kan worden verwerkt, zullen ze op grote schaal worden gebruikt in consumentenelektronica."

Een andere recente intrigerende ontwikkeling op het gebied van elektronica en computers komt van het Amerikaanse bedrijf Nantero, die zegt dat het op koolstof nanobuis gebaseerde halfgeleiderapparaten commercialiseert, inclusief geheugen, logica en anderen.

"We hebben NRAM ontwikkeld, een niet-vluchtig RAM-geheugen met een hoge dichtheid en het doel is om het te laten dienen als een universele geheugentechnologie, ", zegt ceo Greg Schmergel. "NRAM kan worden vervaardigd voor zowel standalone als embedded geheugentoepassingen en er zijn al monsters verzonden naar geselecteerde klanten en worden door Nantero en zijn licentiehouders bij verschillende productie-cmos-fabrieken ontwikkeld. Deze monsters zijn multimegabit-arrays die een hoge opbrengst vertonen, hoge snelheden, betrouwbaarheid en een laag stroomverbruik."

Nantero claims it is the first company to actively develop semiconductor products using carbon nanotubes suitable for production in a standard cmos fab.

"The main obstacle in the past has been the fact that carbon nanotubes have not been compatible with existing semiconductor fabs, " Schmergel says. "At Nantero, we have solved that by developing a cmos compatible carbon nanotube material that can be accepted into any fab in the world and manufacturing processes compatible with existing semiconductor manufacturing equipment. So our memory and other carbon nanotube devices can be made in any cmos fab at high volumes.

Using existing processes means reliability and reproducibility is far higher." Nantero's microelectronic grade carbon nanotube material is now available commercially through licensee Brewer Science.

This could be a pointer to the longer term future, involving mainstream computing. At Stanford University recently, a team announced the first functioning computer built from carbon nanotubes. Despite featuring just 178 transistors and running at 1kHz, the computer is nevertheless 'Turing complete', meaning it can do anything today's machines can do, just much slower.

Maar, in a few years time, billions of carbon nanotubes may be on our desks and in our pockets.