Wat is een kwantumdraad?

Een kwantumdraad is een kabel of een draad, vaak vergelijkbaar in functie met koperdraad, maar gemaakt met nanobuizen van een specifiek element, meestal koolstof. Kwantumdraden zijn meestal geleiders, maar kunnen ook worden gemaakt als isolatoren of halfgeleiders. Deze draden zijn ideaal voor elektrische bedradingsfuncties en voor gebruik op ruimtevaartuigen omdat ze kleiner en lichter zijn dan hun metalen tegenhangers. Ze zijn echter duur om te produceren.

Nanobuisjes zijn door de mens gemaakte microscopische buizen met een diameter van 1 nanometer, die 1 miljardste van een meter meet. Ter vergelijking: de diameter van een enkel mensenhaar wordt gemeten in micrometers, die 1000 keer groter zijn dan een nanometer. Nanobuisjes worden niet alleen gebruikt om kwantumdraad te maken, maar worden op verschillende wetenschappelijke gebieden gebruikt, waaronder medisch onderzoek.

Ontdekt in 1991, worden nanobuisjes gemaakt wanneer een laser wordt neergeschoten op een zuivere stof, zoals koolstof. Oorspronkelijk was dit een langdurig proces waarbij veel potentiële nanobuisjes werden weggegooid omdat ze niet aan de grootte-eisen voldeden, maar onderzoekers van Rice University hadden tegen 1996 een proces geperfectioneerd om nanobuisjes van de juiste grootte te maken.

Nanobuisjes moeten in ketens met elkaar worden verbonden of in elkaar worden gedraaid om kwantumdraden te vormen, die een hogere geleidbaarheid hebben dan koperdraden, de beste metalen geleider van elektriciteit. In theorie heeft een kwantumdraad een zesde van het gewicht van een koperdraad en kan elektriciteit tot tien keer efficiënter geleiden. Metalen kwantumdraden kunnen worden gemaakt van nikkel (Ni) of goud (Au). Deze draden zijn grotendeels nog experimenteel, maar worden gebruikt in elektronica en optica.

Misschien is het meest wetenschappelijk opwindende type kwantumdraad echter gemaakt van koolstofnanobuizen. In 2005 deed Rice University uitgebreid onderzoek naar het maken van kwantumdraad van koolstofnanobuisjes, met een subsidie ​​van $ 11 miljoen US Dollars (USD) van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) van de Verenigde Staten. De planning is dat het in 2010 voltooid zal zijn. Rice University kreeg de opdracht om kwantumdraad te creëren dat lang genoeg was om in ruimtevaartuigen te worden gebruikt.

Omdat de draden lichter en efficiënter zijn, geloven NASA en andere wetenschappers dat kwantumdraden een hulpmiddel kunnen zijn om ruimtevaartuigen verder de ruimte in te laten gaan, omdat elke extra pond een ruimtevaartuig meer brandstof kost. Wetenschappers hebben echter problemen met het produceren van voldoende nanobuisjes om lange stukken draad te maken, omdat een zeer specifieke nanobuisvorm, "armstoel" genoemd, nodig is om ze in draden te draaien. In 2005 had slechts twee procent van de nanobuisjes de juiste vorm voor gebruik. Vanaf 2010 hadden de onderzoekers van Rice University echter aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het oplossen van het probleem, maar er was nog meer onderzoek nodig.