Selayang pandang Carbon NanoTube (CNT)

Dari sebatang karbonsebuah kisah pengembaraan material fullerenedan carbon nanotubeTohoku UniversityRiichiro Saito LabAhmad-Ridwan Tresna Nugraha

1000Gurupendidikan yang membebaskan1

diamondgraphiteNanotube

nanotubefullerenecup stacked fibercarbynenanohornnanoribboncarbon fiberfullerene polymerpea podAlotrop dari karbon: material yang terbuat dari unsur yang sama

graphene

(1) Selamat datang di dunia nano31 nanometer (nm)

Sanjuro Denbo1/1 000 000 000 m1 m di dunia manusia

Gunung tinggi 100 m dapat mudah dilihat

Bagaimana dengan 1 nm?4Bagaimana dunia berubahsetiap 1/1000?

Seberapa besarkah 1 nm itu?1 mm = 1/1000 mbenih sayuran, telur serangga1 m = 1/1000 mmbakteri gelombang cahaya1 nm = 1/1000 m virussinar-X Pingpong Ball 4 cm

1 nm = 1/1000 000 000 mBola pingpong 4 cmDiameter bumi 12 km(sekitar 109 cm)5Mbah Nano

Ceramah di California Institute of Technology29 Desember 1959Richard P. FeynmanTheres plenty of room at the bottomThe Pleasure of Finding Things OutR.P. Feynman, Penguin Books (2001)Apa sih yang diprediksi beliau?61956 IBM Ramac 3055 MB50 x 24 feet1 Ton$50,000

Ukuran terus mengecilKapasitas terus meningkat 2000 IBM Harddrive1 GB1 x 1 inch40 gram$5007Mengapa kita memerlukan nanoteknologi?

Efisien dalam penggunaan listrik Transmisi sinyal yang sangat cepat Sistem kompleks dengan performa menakjubkan

Kendala utama Fabrikasi yang rumit Perlu mengembangkan peralatan baru Perlu mengubah kerangka berpikir :: fisika!8Semikonduktor?

Berada pada keadaan antara konduktor - isolatorSwitch arus on/off secara cepat

AplikasiTelepon genggamTransistorLight Emitting Diode (LED)

Semikonduktor karbon, mungkinkah?Performa lebih cepat, titik leleh lebih tinggi (stabil)Dibutuhkan manipulasi dalam skala nano

9 New Physics and Chemistry Desain nanomaterial Pembuatan peralatan sintesis Perakitan nanodevaisTweezers composed of carbon nanotubes grab a particle only about 500 nm in diameter and move it to a desired location.

Tantangan terbuka untuk kita semua!1nm = 10-9 mSepermilyar dari 1 meterEsensi dunia nano10(2) Rahasia pentagon

11Fullerene (buckyball)H. W. Kroto et al, Nature 318 162 (1985)

C60(Ih)Icosahedral symmetry (Ih)5 sumbu simetri3 sumbu simetri2 sumbu simetri12Pesan dari bintang

Sinyal dari bintang mengindikasikan keberadaan material baru yang saat itu belum diketahui

Materialnya seperti apa?

Apakah bisa dibuat di bumi?Prof. H. W. Kroto:ayo buat material baru, lalu kita coba hasilkan sinyal yang sama seperti dari bintang!

Laser Beam Evaporation Cluster Mass SpectrometerCluster: Atomic RiceballSebagai hasilnya, molekul unik yang terdiri dari 60 atom karbon

Courtesy of Prof. Shinohara (Nagoya University)

Pemenang Nobel Kimia tahun 1996Buckminster Fuller Domed Building (Montreal)

Buckminster Fuller Institute / Museum of Design, Zurich / Lars Muller Publishers

Richard Buckminster Fuller (1895-1983)

zoo photo

Pentagon dibutuhkan!Teorema polyhedron Euler T + S R = 2 ttk. sudutsisirusukcontoh: KubusRegular Hexahedron# titik sudut = 8# sisi= 6# rusuk=128 + 6 12 = 218Misalkan: # pentagon = x, # hexagon = y# titik sudut= (5x + 6y) / 3# sisi= x + y# rusuk= (5x + 6y) / 2

Pertanyaan: Substitusikan angka pada persamaan Euler dan dapatkan hubungan antara x dan y.Misteri jumlah pentagon T + S R = 2Pertanyaan: Substitusikan angka pada persamaan Euler dan dapatkan hubungan antara x dan y. # pentagon = x, # hexagon = y

Jawab: Dengan 12 pentagon dan sembarang jumlah heksagon, kita dapat membuat sebuah polyhedron T + S R = 2Fullerene yang lebih besar

C70 (D5h)C240 (Ih)Jika ada 12 pentagonFullerene yang lebih besar

C80 (D5d)C80 (D2d)Esensi rahasia pentagonPenemuan molekul C60: arah baru dalam kimia organikSyarat molekul polyhedron: 12 pentagon dengan sembarang heksagon

Dengan bujursangkar (bukan heksagon)pun oke!23

(3) Sepenggal kisah nanotube24Bentuk dasar benda = silinder!

Motokawa Tatsuo, Kindergarten textbook:A mysterious thing in this world is that living things are made of cylinders.Tipe Armchair(5,5)(9,0)(6,5)Tipe Zigzag Tipe ChiralArc Method: (by Y. Saito) Laser Ablation: (Kataura)

Nanotube Silinder!!! S. Iijima, (1991), M. S. Dresselhaus et al. (1991) J. Mintmire et al., R. Saito et al., N. Hamada et al, K. Tanaka et al,

Variasi carbon nanotubes (CNT)Single-wall nanotubeSWNT1993Multi-wall nanotubeMWNT1991Double-wall nanotubeDWNT1999Nano-peapod1998

Arc Discharge Synthesis untuk molekul C60- Electroda+ Electroda

Yoshinori Ando (Meijo Univ.)

Sumio IijimaMbah carbon nanotube (1991)

SerendipityPenemuan penting bisa jadi karena KeberuntunganFortune comes only for the prepared mind Louis Pasteur

Meskipun kita belajar sangat keras,tetapi kita bisa saja melewatkan penemuan berharga.

Penguapan dengan bantuan laser, untuk membentuk nanotube

Laser berkekuatan tinggi untuk menguapkan material

H. KatauraChemical vapor deposition CVD)

S. Maruyama

Carbonize (TANKA)

Carbon nanotube electron microscope

Physical Properties of Carbon Nanotube:Using Physics to know the Properties of Materials (Solid State Physics)New Chemical StructureSynthesis & PurificationElectrical propertiesMechanical propertiesApplicationTOYOTAFCHV-5Zyvex corp.

pp*

Nanotube adalah lembaran yang digulungdikarakterisasi oleh vektor : (n,m) R. Saito et al., Phys. Rev. B46, 1804 (1992)

Konstanta kisi adalah vektor yang merepresentasikan struktur periodik dari suatu material.

Konstanta kisi: Nanotube axial period

Gulung dengan tepat, maka kita dapatkan CNT

http://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/~maruyama/pvwin/pvwin-j.html

(10,5) Chiral(10,10) ArmchairSemikonduktorKonduktor

Bergantung pada strukturnya(cara menggulung), CNT dapat menjadisemikonduktor atau konduktor

Prediksi teori: 1991Konfirmasi eksperimen: 1998

KonduktorSemikonduktorSyarat menjadi konduktor atau semikonduktorR. Saito et al., Appl. Phys. Lett. 60, 2204 (1992)

SemikonduktorKonduktor13p3pmn=-

Bukti (verifikasi)eksperimenJ. W. G. Wildoer et al,Nature, 391 (1998) 59

Scanning Probe Microscope) SPM

JarumCahaya laserCerminDetektorSampelSangatlah sulit untuk melihat gambar atom!

Devais nanosemikonduktorR. Saito et al. Proc. of the NEC Symp. (1992)Devais optikTransistorDiodaDevais magnetik

WireMemori

Awano et al.Fujitsu ltd.(2003)S. J. Wind, et al., APL 80(20), 3817 (2002)Z. Yao et al., Nature 402, 273 (1999)Devais dengan ketebalan 1nm dapat dibuat!DevaisElemen penyusun sirkuit elektronik

Revolusi Elektronik!VLSIVery Large Scale ICSirkuit NanotubeRencana penggunaan CNT dalam sirkuit elektronikCNT transistor terus berkembang

AuTiThermal SiO2 (100 nm) p++-Si (525 m)Ti (100 nm)Au (300 nm)AuTi

400 nmProbeProbeAplikasi lainnya:Very Strong Fiber!!!RAkutagawaSpiders Thread T = 0.18GPa SilkT = 0.26GPaIllustrated by Hiromichi Kataura (2000)Steel wirePolymer TextilesCarbon FiberNanotubeE (GPa)Youngs Modulus201-21670-350240-8004000T (GPa)Tensile Strength0.7-2.32.5-42.910-70r (g/cc)Density7.861.92.11.36G.G.Tibbetts et alScience and application of Nanotubes, Kluwer Academic, New York 2000100t/cm2

NASAThe space elevatorBanyak dibicarakan, tetapi masih tidak realistis :DAmerican ScientistFront Cover, 1997.7-8 Issue

Super elastis! Bagus untuk digunakan dalam peralatan olahraga

99.05, 4 diode-type 99.11, 9" diode-type

00. 05, 15" VGA diode-type 00.11, 15" VGA Mono triode-type Low voltage, low cost, long life, high contrast, $20/inch, 30W/42Pengembangan nanotube TV di KoreaJ. M. Kim et al. SAIT. Samsung

01.12, 5" triod-type

Pabrik fullerene dan CNTKapasitas = 40 tons fullerenes/year (Mei 2008)Frontier Carbon Corporationhttp://www.f-carbon.com/

Thinking of nanotube applicationsStarting from scratchOpportunity for anyoneThink outside of the box

Material berbentuk silinder nanotube Armchair Zigzag ChiralCara menggulung akanmenentukan sifatBermacam aplikasi

Esensi kisah CNT(9,0)(6,5)

(5,5)SUPER MATERIAL!!!

Hatur nuhunMatur suwunArigatou gozaimasuThank youMari menatap masa depan Indonesia yang lebih baikdengan menguasai nanosains dan nanoteknologi.

1000Gurupendidikan yang membebaskan