Hiilinanoputkien Tieteen ja Teknologian

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

Hiilinanoputkilla molekyylitason mittakaavan putket grafiittirikkaisiin hiilen erinomaisia ​​ominaisuuksia. Ne ovat jäykin ja vahvin tunnettuihin kuituihin ja niillä on huomattavia elektronisia ominaisuuksia ja monta muuta ainutlaatuista ominaisuutta. Näistä syistä ne ovat herättäneet valtavan akateemista ja teollista kiinnostusta, tuhansia papereita nanoputket julkaistaan ​​vuosittain. Kaupallisia sovelluksia ovat kehittyneet hitaasti, mutta ennen kaikkea siksi, että korkeat tuotantokustannukset parasta laatua nanoputket.

Historia

Nykyinen valtava kiinnostus hiilinanoputkien on suora seuraus synteesin buckminsterfullereeni, C60, ja muut Fulleriineja vuonna 1985. Havainto, että hiili voi muodostaa vakaita, määräsi rakenteisiin muut kuin grafiitti ja timantti kannustanut tutkijoita maailmanlaajuisesti etsiä muita uusia muotoja hiiltä. Etsintä sai uutta pontta, kun se osoitettiin vuonna 1990, että C60 voidaan valmistaa yksinkertaisella kaaren haihdutuslaite helposti saatavilla kaikissa laboratorioissa. Se käyttää tällaista höyrystimen, että japanilainen tutkija Sumio Iijima löydetty fullerene liittyvät hiilinanoputkien 1991. koeputket sisälsivät vähintään kaksi kerrosta, on usein paljon enemmän, ja vaihteli ulkohalkaisija on noin 3 nm 30 nm. He olivat poikkeuksetta suljettu molemmista päistä.

Lähetyksen elektronimikroskoopilla noin multiwalled nanoputkien on esitetty kuvassa (vasemmalla). Vuonna 1993 uuden luokan hiilinanoputkien havaittiin, vain yhdellä kerroksella. Nämä yhden walled nanoputkia ovat yleensä kapeampia kuin multiwalled putket, joiden läpimitta on tyypillisesti välillä 1-2 nm, ja yleensä kaareva ennemmin kuin suoraan. Kuva oikealla esitetään joitakin tyypillisiä yksiseinämäisten putket Pian todettiin, että nämä uudet kuidut oli erilaisia ​​poikkeavia ominaisuuksia (katso jäljempänä), ja tämä herätti räjähdystä tutkimuksen hiilinanoputkien. On tärkeää huomata kuitenkin, että nanomittakaavan putket hiiltä, ​​tuotti katalyyttisesti, oli tunnettu jo vuosia ennen Iijima löytö. Tärkein syy, miksi nämä varhaisen putkia ei kiihottaa laajaa kiinnostusta on, että he olivat rakenteellisesti melko epätäydellinen, joten ei ole erityisen mielenkiintoisia ominaisuuksia. Viimeaikainen tutkimus on keskittynyt laadun parantamiseen katalyyttisesti tuotettu nanoputkia.

Rakenne

Liimaus hiilinanoputkien on sp², jokaisen atomin liitetty kolme naapureita, kuten grafiitti. Putket voidaan näin ollen pitää ylöskäärityt grafeenitasojen (grafeeni on yksittäinen grafiitti kerros). On kolme erillistä tapoja, joilla grafeenilevy voidaan kaulitaan putkeen, kuten kuvassa on esitetty alla.

Kaksi ensimmäistä näistä, joka tunnetaan nimellä “nojatuoli” (ylhäällä vasemmalla) ja “sik-sak” (keskellä vasemmalla) on korkea symmetria. Termit “nojatuoli” ja “siksakmainen” viittaavat järjestelyn laput kehällä. Kolmannen luokan putki, joka on käytännössä yleisin, on tunnettu kiraalisia, eli se voi esiintyä kaksi samanlaista liittyviä muotoja. Esimerkki kiraalisen nanotube näkyy vasemmalla alhaalla.

Rakennetta nanoputkien voidaan määrittää vektori, (n, m), joka määrittää, kuinka grafeenilevy on rullattu. Tämä voidaan ymmärtää viitaten kuvioon oikealla. Tuottaa nanoputkien kanssa indeksit (6,3), esimerkiksi levy rullalle niin, että atomin leimattu (0,0) on päällekkäin yhden leimatun (6,3). Se voidaan nähdä kuviosta, että m = 0 kaikille siksak-putkia, samalla kun n = m kaikille nojatuoli putket.

Synteesi

Valokaari-haihtuminen menetelmä, joka tuottaa parhaan laadun nanoputket, liittyy kulkee virtaa noin 50 ampeeria kahden grafiittielektrodit ilmapiirissä heliumia. Tämä aiheuttaa sen, että grafiitti haihduttamiseksi, osa siitä tiivistyvät seinät reaktioastiaan ja osa siitä katodille. Se on talletettu katodilla, joka sisältää hiilinanoputkia. Single-nanoputket tuotetaan silloin, kun Co ja Ni tai jokin muu metalli lisätään anodi. Se on tunnettu 1950-luvulta lähtien, ellei aiemmin, että hiilinanoputket voidaan tehdä myös viemällä hiiltä sisältävän kaasun, kuten hiilivedyssä, katalyytin päällä. Katalyytti koostuu nano-kokoinen hiukkasia metallista, yleensä Fe, Co tai Ni. Nämä hiukkaset katalysoivat jakautuminen kaasumainen molekyylien hiiltä, ​​ja putki sitten alkaa kasvaa metallinen hiukkasen kärjessä. Kävi ilmi, vuonna 1996, että yhden walled nanoputkia voidaan tuottaa myös katalyyttisesti. Täydellisyyteen hiilinanoputkien valmistettu tällä tavoin on yleensä ollut huonompi kuin tekemät arc-haihduttamalla, mutta suuria parannuksia tekniikan on tehty viime vuosina. Suuri etu katalyyttinen synteesi yli kaaren haihtuminen on, että se voidaan skaalata massatuotanto. Kolmas tärkeä tapa tehdä hiilinanoputkien liittyy käyttämällä tehokkaita laser höyrystämään metalli-grafiitti tavoite. Tätä voidaan käyttää tuottamaan yksiseinämäisten putket high yield.

Ominaisuudet

Vahvuus sp² hiili-hiili-sidoksia antaa hiilinanoputkien hämmästyttävä mekaaniset ominaisuudet. Jäykkyys materiaalia mitataan sen Youngin moduuli muutosnopeus stressin kanssa soveltavan rasitusta. Youngin moduulin paras nanoputkia voi olla niinkin korkea kuin 1000 GPa, joka on noin 5-kertainen korkeampi kuin teräs. Vetolujuuden, tai murtovenymän nanoputkia voi olla jopa 63 GPa, noin 50x korkeampi kuin teräs. Nämä ominaisuudet yhdistettynä keveys hiilinanoputkien, antaa heille merkittävää potentiaalia, kuten ilmailu. On jopa ehdotettu, että nanoputket voidaan käyttää in “avaruushissi”, Earth-väli kaapeli ehdotti ensimmäisenä Arthur C. Clarke. Sähköinen ominaisuudet hiilinanoputkien ovat myös poikkeuksellisia. Erityisen merkittävää on se, että nanoputket voivat olla metallia tai puolijohtava riippuen niiden rakenteesta. Niinpä jotkut nanoputkia on johtavuudet suurempi kuin kuparin, kun taas toiset toimivat enemmän piitä. On suurta kiinnostusta mahdollisuus rakentaa nanokokoluokan elektroniikkalaitteiden nanoputket, ja jonkin verran edistystä on tapahtunut tällä alalla. Jotta rakentaa hyödyllinen laite meidän olisi järjestää useita tuhansia nanoputkia on määritelty kuvio, ja meillä ei vielä ole valvonnan taso tämän saavuttamiseksi. On useita alueita tekniikkaa, jossa hiilinanoputkia käytetään jo. Näitä ovat litteissä näytöissä, skannaus koetin mikroskoopit ja tunnistuslaitteita. Ainutlaatuiset ominaisuudet hiilinanoputkien johtaa epäilemättä monia muita sovelluksia.

Nanohorns

Yksiseinäinen hiili käpyjä morfologit kaltaisia ​​nanoputkien caps valmistettiin ensin Peter Harris, Edman Tsang ja kollegat vuonna 1994 (katso täältä meidän paperi). He eivät löytäneet NEC tiedemiehet, kuten lehdistötiedotteessa. Ne tuotetaan korkean lämpötilan lämpökäsittelyt fullereeni noki – katso täältä tyypillinen kuva. Sumio Iijima ryhmä sen jälkeen osoitti, että ne voitaisiin tuottaa myös laserablaation grafiittia, ja antoi niille nimi “nanohorns”. Tämä ryhmä on osoittanut, että nanohorns on merkittävä adsorptiivinen ja katalyyttisia ominaisuuksia, ja että niitä voidaan käyttää komponentteina uuden sukupolven polttokennojen. Katso lisätietoja NEC lehdistötiedote ja tämä uutinen CNN.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *