Углеродные нанотрубки: наука и технологии

Углеродные нанотрубки являются молекулярного масштаба труб графитовый углерод с выдающимися свойствами. Они являются одними из самых жестких и сильных волокон известны, и имеют замечательные электронные свойства и многие другие уникальные характеристики. По этим причинам они привлекают огромные академических и отраслевых интересов, с тысячами работ по нанотрубок публикуется каждый год. Коммерческие приложения были довольно медленно развиваться, однако, в первую очередь из-за высокой стоимости производства лучших нанотрубок качества.

История

Нынешний огромный интерес в углеродных нанотрубках является прямым следствием синтеза бакминстерфуллерен, C60, и другие фуллерены, в 1985 году. Открытие того, что углерод может образовывать стабильные, упорядоченные структуры, кроме графита и алмаза стимулировало исследователей по всему миру искать другие новые формы углерода. Поиск получили новый импульс, когда было показано, что в 1990 году C60 могут быть получены в простой дуги испарения аппарат легко доступны во всех лабораториях. Было использования такого испарителя, что японский ученый Сумио Iijima обнаружил фуллерен связанных углеродных нанотрубок в 1991 году. Трубки содержащихся, по меньшей мере, два слоя, часто во много больше, и варьировались в наружный диаметр от приблизительно 3 нм до 30 нм. Они неизменно закрыта с обоих концов.

1

Просвечивающая электронная микрофотография некоторых многослойных нанотрубок показано на рисунке (слева). В 1993 году новый класс углеродных нанотрубок было обнаружено, только один слой. Эти однослойные нанотрубки, как правило, более узкой, чем многослойных труб с диаметром обычно в диапазоне 1-2 нм, и, как правило, быть изогнуты, а не прямо. Изображение справа показывает некоторые типичные однослойных труб Вскоре было установлено, что эти новые волокна имели ряд исключительных свойств (см. ниже), и это спровоцировало взрыв исследований в углеродные нанотрубки. Важно отметить, однако, что наноразмерные трубы из углерода, произведенный каталитически, были известны в течение многих лет до открытия в Ииджимы. Основная причина, почему эти ранние трубы не волновал широкий интерес в том, что они были структурно весьма несовершенная, поэтому не имеют особенно интересными свойствами. Последние исследования были направлены на улучшение качества каталитического производства нанотрубок.

Структура

Связи в углеродных нанотрубок SP ², с каждым атомом присоединился к трем соседям, как и в графите. Трубы может рассматриваться как свернутые листы графена (графен является отдельный слой графита). Существуют три различных способа, которыми лист графена можно свернуть в трубку, как показано на диаграмме ниже.

Первые два из них, известный как “кресло” (вверху слева) и “зигзагообразных” (средний слева) обладают высокой степенью симметрии. Термины “кресло” и “зигзагообразных” относятся к расположению шестиугольников по всему периметру. Третий класс трубку, которая на практике является наиболее распространенным, известен как хиральные, это означает, что оно может существовать в двух зеркально связанной форме. Например хиральной нанотрубки показано в левом нижнем.

2

Структура нанотрубок может быть задана вектор, (п, т), которая определяет, как лист графена закатаны. Это можно понять со ссылкой на рисунке справа. Для получения нанотрубок с индексами (6,3), скажем, лист прокатывают так, что атом помечены (0,0) накладывается на один ярлык (6,3). Это можно видеть из рисунка, м = 0 для всех зигзагообразной трубы, в то время как п = т для всех кресло труб.

Синтез

Дугового испарения метод, который обеспечивает наилучшее качество нанотрубок, включает пропускание тока около 50 А между двумя графитовыми электродами в атмосфере гелия. Это приводит к тому графита для испарения, часть его конденсации на стенках реакционного сосуда и некоторые из них на катоде. Это депозит на катоде, который содержит углеродные нанотрубки. Однослойные нанотрубки получаются, когда Со и Ni или другого металла добавляют к аноду. Она была известна с 1950 года, если не раньше, что углеродные нанотрубки могут быть сделаны путем пропускания углеродсодержащего газа, такого как углеводород, в присутствии катализатора. Катализатор состоит из наноразмерных частиц металла, как правило, Fe, Co или Ni. Эти частицы катализировать распад молекул газа в углерод, и трубка затем начинает расти с металлической частицы на конце. Как было показано в 1996 году, что однослойные нанотрубки могут быть также получены каталитически. Совершенство углеродных нанотрубок полученный таким образом, в целом был беднее, чем те, сделанные дуги испарения, но значительных улучшений в технике были сделаны в последние годы. Большим преимуществом каталитического синтеза над дугой-испарения, что она может быть расширена для массового производства. Третий важный способ получения углеродных нанотрубок заключается в использовании мощного лазера для испарения металл-графитовой мишени. Это может быть использовано для производства однослойных труб с высоким выходом.

3

Свойства

Сила зр ² углерод-углеродных связей дает углеродных нанотрубок удивительные механические свойства. Жесткость материала измеряют в терминах его модуль Юнга, скорость изменения напряжения при приложении напряжения. Модуль Юнга из лучших нанотрубки могут быть выше, чем 1000 ГПа, примерно 5x выше, чем сталь. Прочность на разрыв, или разрушающей деформации нанотрубок может быть до 63 ГПа вокруг 50x выше, чем сталь. Эти свойства в сочетании с легкостью углеродных нанотрубок, дает им большой потенциал в приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность. Было даже высказано предположение, что нанотрубки могут быть использованы в “космического лифта”, Земля-космос кабеля впервые предложил Артур Кларк. Электронные свойства углеродных нанотрубок также экстраординарным. Особенно примечательно то, что нанотрубки могут быть металлическими или полупроводниковыми зависимости от их структуры. Таким образом, некоторые нанотрубки имеют более высокую проводимость, чем у меди, а другие вести себя как кремний. Существует большой интерес к возможности построения наноразмерных электронных устройств от нанотрубок и определенный прогресс, достигнутый в этой области. Тем не менее, для того, чтобы построить полезное устройство мы должны были бы организовать много тысяч нанотрубок в определенному шаблону, и мы еще не имеют степень контроля, необходимого для достижения этой цели. Есть несколько областей, где технологии углеродных нанотрубок уже используются. Они включают в себя плоские дисплеи, сканирующих зондовых микроскопов и датчиков. Уникальные свойства углеродных нанотрубок, несомненно, приведет к еще многие приложения.

Nanohorns

Однослойных углеродных конусов с морфологией аналогичные нанотрубок были впервые подготовленный Питер Харрис, Эдмана Цанг и его коллеги в 1994 году (нажмите здесь для просмотра нашей статье). Они не были открыты учеными NEC, как говорится в пресс-релизе. Они были произведены высокой температуры термической обработки фуллерена сажи – нажмите здесь, чтобы увидеть типичный образ. Группа Sumio Iijima автора впоследствии показали, что они также могут быть получены методом лазерной абляции графита, и дал им название “nanohorns”. Эта группа показала, что nanohorns имеют замечательные адсорбционные и каталитические свойства, и они могут быть использованы в качестве компонентов нового поколения топливных элементов. Подробнее см. выпуск NEC прессы и этой новости от CNN.

Ресурс: Carbon nanotube science and technology

Comments are closed.

Post Navigation