Сторінка про Вуглецеві Нанотрубки

17.10.2016

Сторінка про Вуглецеві Нанотрубки

Original: http://www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm

Наука про вуглецеві нанотрубки

Посилання стосовно вуглецевих нанотрубок

Книжки й огляди

Наносайти

Комерційні постачальники

Переклади

Передача електронної мікроскопії вуглецевих нанотрубок: попередження.

Остання нанокнига Пітера Харріса

Наука та технологія вуглецевих нанотрубок

Вуглецеві нанотрубки молекулярного масштабу труби графітового вуглецю з видатними властивостями. Вони є одними з найжорсткіших і сильних волокон, відомих і мають чудові електронні властивості і багато інших унікальні характеристики. З цих причин вони залучили величезний науковий і промисловий інтерес, з тисячами робіт з нанотрубок публікується щорічно. Комерційні програми були досить повільно розвиватися, проте, в першу чергу через високі витрати на виробництво найкращої якості нанотрубок.

Історія

У даний час величезний інтерес до вуглецевих нанотрубок є прямим наслідком синтезу бакмінстерфуллерен, C₆₀ та інших фулеренів, у 1985 році відкриття того, що вуглець може утворювати стабільний, наказували іншим, ніж графіт структури і алмазів стимулювали дослідників по всьому світу шукати інші нові форми вуглецю. Пошук був надано нового імпульсу, коли він був показаний в 1990 році, що C₆₀ може бути отриманий в простій дугового випарного пристрою легко доступні у всіх лабораторіях. Він використовував такий випарник, що японський вчений Суміо Ійіма виявив фулерени, пов’язаних з вуглецевими нанотрубками в 1991. Трубки містили щонайменше два шари, часто набагато більше, і варіювалися в зовнішній діаметр від приблизно 3 нм до 30 нм. Вони були незмінно закриті з обох кінців.

Що просвічує електронний мікроснімок деяких багатошарових нанотрубок, показано на малюнку (ліворуч). У 1993 році новий клас вуглецевих нанотрубок був виявлений, за допомогою всього одного шару. Ці одношарові нанотрубки, як правило, вже, ніж багатошаровими трубами, діаметром зазвичай в діапазоні 1-2 нм, і мають тенденцію бути зігнуті, а не прямі. Зображення праворуч показує деякі типові труби одношарові незабаром було встановлено, що ці нові волокна мають ряд виняткових властивостей (див. нижче), і це спровокувало вибух досліджень в вуглецевих нанотрубок. Важливо відзначити, однак, що нанорозмірні трубки вуглецю, отримані каталітичним, були відомі протягом багатьох років до відкриття Ійімою. Основна причина, чому ці ранні трубки не збуджують великий інтерес в тому, що вони були структурно дуже недосконалі, так що не було особливо цікавими властивостями. Останні дослідження були спрямовані на підвищення якості каталітичного виробництва нанотрубок.

Структура

Сполучний в вуглецевих нанотрубок sp², причому кожен атом з’єднаний з трьома сусідами, як в графіті. Тому труби можна розглядати як згорнуті листи графена (графен являє собою індивідуальний шар графіту). Є три різні способи, якими лист графену може бути згорнутий у трубку, як показано на малюнку нижче.

Перші два з них, відомий як “крісло” (угорі ліворуч) і “зигзаг” (середній зліва) мають високу ступінь симетрії. Терміни “крісло” і “зигзаг” відносяться до розташування шестикутників по колу. Третій клас труби, яка на практиці є найбільш поширеним, відомий як хіральні, а це означає, що він може існувати в двох формах дзеркальними пов’язаних. Прикладом хіральної нанотрубки показаний в нижньому лівому кутку.

Структура нанотрубки може бути задана вектором, (n,m), який визначає спосіб згортання листів графену. Це можна зрозуміти з посиланням на малюнку справа. Для отримання нанотрубки з індексами (6,3), скажімо, лист прокочують таким чином, що атом марковані (0,0) накладається на позначений (6,3). Як видно з малюнка, m = 0 для всіх зиґзаґоподібних труб, в той час як n = m для всіх трубок типу “крісло”.

Синтез

Метод дугового випаровування, яке виробляє найкращі якості нанотрубками, включає пропускання струму близько 50 ампер між двома графітовими електродами в атмосфері гелію. Це призводить до того, графіт випаровуватися, деякі з них конденсується на стінках реакційного судини і деякі з них на катоді. Це родовище на катоді, який містить вуглецеві нанотрубки. Одношарові нанотрубки утворюються, коли Co і Ni або будь-який інший метал додається до анода. Це було відомо ще з 1950-х років, а то й раніше, що вуглецеві нанотрубки можуть бути зроблені шляхом пропускання вуглець газу, такого як вуглеводень, в присутності каталізатора. Каталізатор складається з нанорозмірних частинок металу, зазвичай Fe, Co або Ni. Ці частинки каталізують розпад молекул газу на вуглець, і труба потім починає зростати з металевої частки на кінчику. Було показано, що в 1996 році одношарові нанотрубки можуть бути також отримані каталітично. Досконалість вуглецевих нанотрубок, отриманих таким чином, в цілому був біднішими, ніж ті, зроблені дугового випаровування, але значні поліпшення в техніці були зроблені в останні роки. Великою перевагою каталітичного синтезу над дугового випаровування є те, що він може бути розширений для масового виробництва. Третій важливий спосіб отримання вуглецевих нанотрубок передбачає використання потужний лазер для випаровування мішені метал-графіт. Це може бути використано для виробництва одношарових труб з високим виходом.

Властивості

Сила sp² вуглець-вуглецевих зв’язків дає вуглецеві нанотрубки дивовижні механічні властивості. Жорсткість матеріалу вимірюється з точки зору його модуля Юнга, швидкості зміни напруги від прикладеної напруги. Модуль Юнга з кращих нанотрубок може досягати 1000 ГПа, яка приблизно у 5 разів вище, ніж у сталі. Межа міцності при розтягуванні, або руйнує деформація нанотрубок може бути до 63 ГПа, близько в 50 разів вище, ніж сталь. Ці властивості, в поєднанні з легкістю вуглецевих нанотрубок, дає їм великий потенціал в таких додатках, як аерокосмічна. Висловлювалося навіть припущення, що нанотрубки можуть бути використані в “космічного ліфта”, кабель “Земля-космос” вперше запропонував Артур Кларк. Електронні властивості вуглецевих нанотрубок також незвичайні. Особливо примітним є той факт, що нанотрубки можуть бути металевими або напівпровідниковими залежно від їх структури. Таким чином, деякі нанотрубки мають питому провідність вище, ніж у міді, в той час як інші поводяться більше як кремній. Існує великий інтерес до можливості побудови нанорозмірних електронних пристроїв з нанотрубок, а також деякий прогрес, досягнутий в цій галузі. Однак для того, щоб побудувати корисний пристрій, нам потрібно було б організувати багато тисяч нанотрубок в певною схемою, і ми ще не мають ступінь контролю, необхідного для досягнення цієї мети. Є кілька областей техніки, де вже використовуються вуглецеві нанотрубки. До них відносяться плоскі дисплеї, скануючих зондових мікроскопів і пристроїв зондування. Унікальні властивості вуглецевих нанотрубок, безсумнівно, призведе до багатьох інших додатків.

Рупороподібні нановиступи

Одношарові вуглецеві конуси з морфологією, аналогічною до нанотрубних кришок, були вперше підготовані Пітером Харрісом, Едманом Тсангом і їхніми колегами в 1994 р. (клацніть тут, щоб відкрити наш документ). Вони не були відкриті науковцями NEC, як стверджується у прес-релізі. Вони були отримані шляхом термічної обробки при високій температурі фулерену сажі – клацніть тут, щоб побачити типове зображення. Група Суміо Ійіми потім показала, що вони також можуть бути отримані методом лазерної абляції графіту, і дала їм назву “рупороподібні нановиступи”. Ця група показала, що рупороподібні нановиступи мають чудові адсорбційні та каталітичні властивості, і що вони можуть бути використані в якості компонентів нового покоління паливних елементів. Докладніше див. у прес-релізі NEC і у відрізку новин CNN про це.