Nanorurka węglowa to maleńka, pusta w środku rurka z atomów węgla, połączonych we wzór sześciokątów, jak w warstwach, z których zbudowany jest grafit. Nanorurka jednościenna, której ściana ma grubość jednego atomu, ma zwykle około 1 nanometra średnicy. Nanometr to miliardowa część metra. Nanorurki są znacznie dłuższe niż szerokie, a ich długość mierzy się w mikrometrach, czyli milionowych częściach metra.

Rozmiar

Wartość 1 nanometra podana w eksploratorze to średnica typowej nanorurki jednościennej, zmierzona w poprzek rurki. Szerokość bywa różna w różnych rurkach. W jednym badaniu 34 nanorurek jednościennych zmierzono średnice od 0,7 do 1,2 nanometra.

Nanorurki wielościenne to kilka rurek wsuniętych jedna w drugą, dlatego są szersze. Te, które opisał Sumio Iijima w 1991 roku, miały od 2 do około 50 ścian, a ich średnica wynosiła od kilku do kilkudziesięciu nanometrów.

Długości też są różne. W badaniu 34 rurek mierzono tylko rurki dłuższe niż 3 mikrometry, więc każda była co najmniej 2500 razy dłuższa niż szeroka.

Porównania rozmiarów

• Około 80 000–100 000 nanorurek jednościennych ułożonych obok siebie zmieściłoby się na szerokości ludzkiego włosa, który ma 0,08–0,1 milimetra szerokości.
• Fuleren, zamknięta kula z 60 atomów węgla, ma około 1 nanometra średnicy, czyli mniej więcej tej samej szerokości co typowa nanorurka jednościenna.
• Gdyby nanorurkę o szerokości 1 nanometra i długości 3 mikrometrów powiększyć do szerokości ludzkiego włosa, czyli 0,1 milimetra, miałaby około 30 centymetrów długości, czyli długość linijki.

Jak odkryto nanorurki

Iijima doniósł o nanorurkach węglowych w czasopiśmie Nature 7 listopada 1991 roku. Wytworzył je za pomocą łuku elektrycznego, metodą podobną do tej, której używa się do wytwarzania fulerenów. Na ujemnej elektrodzie łuku rosły igłowate rurki. Pod mikroskopem elektronowym okazało się, że każda igła jest zestawem od 2 do około 50 rurek z węglowych arkuszy, wsuniętych jedna w drugą.

Sześciokąty z atomów węgla w każdej rurce owijają się wokół niej spiralnie. Iijima zauważył, że wytworzenie takich rurek sugerowało, że struktury węglowe o rozmiarach znacznie większych niż fulereny dają się zbudować.

W 1993 roku o nanorurkach jednościennych donieśli naukowcy z dwóch zespołów. Iijima i Toshinari Ichihashi znaleźli rurki o średnicy około 1 nanometra. D. S. Bethune i współpracownicy, którzy dodali do węgla kobalt, znaleźli rurki o średnicy około 1,2 nanometra.

Obserwowanie pojedynczej nanorurki

Pojedyncza nanorurka jest o wiele za cienka, by ją zobaczyć, ale niektóre rodzaje świecą w bliskiej podczerwieni. W badaniu z 2009 roku naukowcy wykorzystali ten blask, by sfilmować pojedyncze nanorurki w wodzie za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego. Rurki wyginały się w obie strony, gdy otaczająca je ciecz losowo nimi szarpała, a taki ruch nazywa się ruchem Browna.

Na podstawie tego wyginania badacze stwierdzili, że sztywność nanorurki rośnie wraz z sześcianem jej średnicy. Rurka dwukrotnie szersza jest ośmiokrotnie trudniejsza do wygięcia. Ogromna długość w stosunku do szerokości, wytrzymałość i właściwości elektryczne sprawiają, że nanorurki dobrze nadają się do zastosowań w materiałach inżynieryjnych i w medycynie.

Źródła

• 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.