Een koolstofnanobuis is een piepkleine holle buis van koolstofatomen, die zijn verbonden in een patroon van zeshoeken, zoals in de lagen waaruit grafiet bestaat. Een enkelwandige nanobuis, waarvan de wand één atoom dik is, is doorgaans ongeveer 1 nanometer breed. Een nanometer is een miljardste van een meter. Nanobuizen zijn veel langer dan breed, met lengtes die worden gemeten in micrometer, ofwel in miljoenste delen van een meter.

Grootte

De 1 nanometer van de verkenner is de diameter van een typische enkelwandige nanobuis, gemeten dwars over de buis. De breedte verschilt van buis tot buis. In één onderzoek naar 34 enkelwandige nanobuizen lagen de gemeten diameters tussen 0,7 en 1,2 nanometer.

Meerwandige nanobuizen bestaan uit meerdere buizen die in elkaar zijn geschoven en zijn daarom breder. De buizen die Sumio Iijima in 1991 beschreef, hadden 2 tot ongeveer 50 wanden en waren enkele tot enkele tientallen nanometer breed.

Ook de lengtes verschillen. In het onderzoek naar 34 buizen werden alleen buizen gemeten die langer waren dan 3 micrometer, dus elke buis was minstens 2.500 keer zo lang als breed.

Groottevergelijkingen

• Ongeveer 80.000–100.000 enkelwandige nanobuizen, naast elkaar, zouden de breedte van een mensenhaar beslaan, dat 0,08–0,1 millimeter breed is.
• Een buckyball, een gesloten bol van 60 koolstofatomen, is ongeveer 1 nanometer breed, ongeveer net zo breed als een typische enkelwandige nanobuis.
• Als een nanobuis van 1 nanometer breed en 3 micrometer lang werd vergroot tot de breedte van een mensenhaar, 0,1 millimeter, zou de buis ongeveer 30 centimeter lang zijn, de lengte van een liniaal.

Hoe nanobuizen werden gevonden

Iijima meldde koolstofnanobuizen op 7 november 1991 in het tijdschrift Nature. Hij maakte ze met een elektrische boog, een methode die lijkt op die voor het maken van buckyballs. Op de negatieve elektrode van de boog groeiden naaldvormige buizen. Onder een elektronenmicroscoop bleek elke naald te bestaan uit 2 tot ongeveer 50 buizen van koolstoflagen, die in elkaar zaten.

De zeshoeken van koolstofatomen in elke buis winden zich in een spiraal om de buis heen. Het maken van deze buizen deed volgens Iijima vermoeden dat koolstofstructuren in veel grotere afmetingen dan buckyballs konden worden gebouwd.

In 1993 meldden twee teams enkelwandige nanobuizen. Iijima en Toshinari Ichihashi vonden buizen die ongeveer 1 nanometer breed waren. D. S. Bethune en collega's, die kobalt aan de koolstof toevoegden, vonden buizen die ongeveer 1,2 nanometer breed waren.

Eén nanobuis bekijken

Een enkele nanobuis is veel te dun om te zien, maar sommige soorten geven een gloed in het nabije infrarood af. In een onderzoek uit 2009 gebruikten onderzoekers die gloed om met een fluorescentiemicroscoop afzonderlijke nanobuizen in water te filmen. De buizen bogen heen en weer doordat de vloeistof eromheen er willekeurig tegenaan stootte, een beweging die Brownse beweging heet.

Uit dat buigen leidden de onderzoekers af dat de stijfheid van een nanobuis toeneemt met de derde macht van de diameter. Een buis die twee keer zo breed is, is acht keer zo moeilijk te buigen. Hun grote lengte in verhouding tot hun breedte, hun sterkte en hun elektrische eigenschappen maken nanobuizen zeer geschikt voor toepassingen in technische materialen en in de geneeskunde.

Bronnen

• Diameter-dependent bending dynamics of single-walled carbon nanotubes in liquids. Fakhri et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009.
• Helical microtubules of graphitic carbon. Sumio Iijima, Nature, 1991.
• Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Iijima and Ichihashi, Nature, 1993.
• Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls. Bethune et al., Nature, 1993.
• Thermally Activated Sliding of C60 on Gold. Pierno et al., ACS Omega, 2025.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.