Uhlíková nanotrubička věda a technika


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

Uhlíkové nanotrubičky jsou molekulární měřítku trubky grafitového uhlíku s vynikajícími vlastnostmi . Jsou mezi nejpevnější a nejsilnější vláken známých, a mají pozoruhodné elektronické vlastnosti a mnoho dalších unikátních vlastností. Z těchto důvodů , které přitahují obrovské akademického a průmyslového zájem, s tisíci dokumentů o nanotrubic jsou zveřejňovány každý rok . Komerční aplikace byly spíše pomalu rozvíjet, ale, a to především z důvodu vysokých výrobních nákladů nejkvalitnějších nanotrubiček.

Historie

Současný velký zájem o uhlíkové nanotrubice jepřímým důsledkem syntézy buckminsterfullerene , C60 , a další fullereny , v roce 1985 . Objev , že uhlík by mohla tvořit stabilní , nařídil kromě grafitu struktury a diamant stimulovány výzkumných pracovníků po celém světě hledat další nové formy uhlíku . Hledání dostal nový impuls , když se ukázalo v roce 1990 , že C60 mohly být vyráběny v jednoduchém obloukového odpařování přístroje snadno dostupné ve všech laboratořích . To bylo použití takové výparník , žejaponský vědec Sumio Iijima objevil fullerenem související uhlíkových nanotrubiček v roce 1991 . Zkumavky obsahoval alespoň dvě vrstvy , které jsou často mnohem více , a byla v rozmezí vnějšího průměru od přibližně 3 nm do 30 nm . Oni byli vždy uzavřen na obou koncích.

 

 

 

 

 

 

 

 

Transmisní elektronové mikrofotografie některých multiwalled nanotrubiček je znázorněno na obrázku ( vlevo) . V roce 1993 ,nová třída uhlíkové nanotrubičky byl objeven , jen s jedinou vrstvou . Tyto jednotlivé stěnami nanotubes jsou obecně užší než multiwalled trubek s průměrem typicky v rozsahu 1-2 nm , a mají tendenci být zakřivený , spíše než přímo . Obrázek vpravo ukazuje některé typické single – tenkostěnné trubky To bylo brzy zjištěno, že tato nová vlákna měl řadu výjimečných vlastností ( viz níže ) , a to vyvolalo explozi výzkumu uhlíkových nanotrubic . Je důležité si uvědomit , nicméně , že nanočástice uhlíku trubky , vyrobené katalyticky , byly známy již mnoho let předtím, než Iijima objevu . Hlavním důvodem, proč se tyto časné trubice neměla vzrušovat velký zájem je to, že oni byli strukturálně dosti nedokonalá , takže neměl zvlášť zajímavé vlastnosti . Nedávný výzkum se zaměřil na zlepšení kvality katalyticky vyráběných nanotrubiček.
Struktura

Lepení uhlíkových nanotrubiček je sp ² , přičemž každý atom spojeny tři sousedy , jako v grafitu . Trubice mohou být proto považovány za vyhrnutými grafenu listů ( graphene jeindividuální grafitová vrstva ) . Existují tři různé způsoby, jimiž může být list grafenu za tepla do trubky , jak je znázorněno na následujícím schématu .

 

První dvě z nich , známý jako ” křeslo ” (vlevo nahoře) a ” cik – cak ” ( uprostřed vlevo) mají vysoký stupeň symetrie . Pojmy ” křeslo ” a ” cik – cak ” se vztahují k uspořádání šestiúhelníků kolem obvodu . Třetí třída trubice , což je v praxi nejčastější , je známý jako chirální , což znamená, že mohou existovat ve dvou formách zrcadlové účely. Příkladem chirální nanotrubic je zobrazen v levém dolním rohu .

Struktura nanotrubic lze určit pomocí vektoru, ( n , m ) , který definuje , jak segraphene list sroloval . To lze chápat s odkazem na obr. vpravo . Chcete-li vytvořit nanotube s indexy ( 6,3 ) , řekněme ,plech válcovaný tak, žeatom označené ( 0,0 ) je položený na jednom označeném ( 6,3 ) . To je vidět z obrázku , že m = 0 pro všechny klikaté trubek , přičemž n = m pro všechny křeslo trubky.

Syntéza


Metoda oblouku odpařování , což vytváří nejlepší kvalitu nanotrubiček , zahrnuje průchodu proudu asi 50 amper mezi dvěma grafitovými elektrodami v atmosféře helia . To způsobí, že grafit odpařovat , některé z nich kondenzace na stěnách reakční nádoby a některé z nich na katodě . Jedná seukládají na katodě , který obsahuje uhlíkové nanotrubičky . Jednotlivé stěnami nanotubes jsou produkovány, když Co a Ni , nebo nějaký jiný kov se přidá k anodě . Je známo, od roku 1950 , ne-li dříve , že uhlíkové nanotrubice mohou být rovněž průchodem plynu obsahující uhlík , jako je uhlovodík , na katalyzátoru . Katalyzátor se skládá z nano – velikosti částic kovu , obvykle Fe , Co a Ni . Tyto částice katalyzují rozklad plynných molekul na uhlík , atrubka pak začne růst s kovovou částici na špičce . Ukázalo se , že v roce 1996 jednotlivé stěnami nanotubes také může být katalyticky . Dokonalost uhlíkových nanotrubiček vyrobených tímto způsobem je obecně horší než ty, které provádí obloukové odpařování , ale velké zlepšení v technice byly provedeny v posledních letech . Velkou výhodou katalytické syntézy přes obloukové odpařování je, že to může být zmenšen až na objem výroby . Třetí důležitou metodou pro výrobu uhlíkových nanotrubiček zahrnuje použití výkonné laser k odpařování cíl kovu a grafitu . Toto může být použito k výrobě jednotlivých tenkostěnné trubky s vysokým výtěžkem .

Vlastnosti

Síla sp ² uhlík-uhlík dává uhlíkových nanotrubic úžasné mechanické vlastnosti . Tuhost materiálu se měří z hlediska jeho Youngův modul , rychlosti změny napětí s aplikovaného napětí . Youngův modul z nejlepších nanotrubiček může být až 1000 GPa , který je přibližně 5x vyšší než ocel . Pevnost v tahu , nebo lámání kmen nanotrubiček může být až 63 GPa , asi 50x vyšší než ocel . Tyto vlastnosti , spolu s lehkostí uhlíkových nanotrubiček , dává jim velký potenciál v aplikacích , jako je letecký a kosmický průmysl . To dokonce bylo navrhl, že nanotrubičky by mohly být použity v ” vesmírným výtahem ” , což je vzestupný směr kabelu nejprve navržena Arthur C. Clarke . Elektronické vlastnosti uhlíkových nanotrubic jsou také výjimečné. Zvláště pozoruhodný je fakt, že nanotrubice mohou být kovové nebo polovodičovými v závislosti na jejich struktuře . Tak, někteří nanotubes mají vodivost vyšší , než je z mědi , zatímco jiní chovat jako křemík . Tam je velký zájem o možnosti výstavby nanoscale elektronických zařízení z nanotrubiček , a některé z nich dochází k pokroku v této oblasti . Nicméně , za účelem vybudování užitečné zařízení budeme muset zařídit tisíce nanotrubiček v definovaném vzoru , a nemáme ještě mají stupeň kontroly nezbytné k dosažení tohoto cíle . Tam je několik oblastí techniky, kde uhlíkových nanotrubiček je již použit . Patří mezi plochou obrazovkou displeje , snímání sondy mikroskopy a snímací zařízení . Unikátní vlastnosti uhlíkových nanotrubic nepochybně povede k mnoha dalších aplikací .

Nanohorns

Jednotlivé stěnami uhlíku kužele s morfologií podobné těm z nanotrubiček čepice byly nejprve připraveny Peter Harris , Edmanovým Tsang a jeho kolegové v roce 1994 ( klikněte zde pro zobrazení naší papír ) . Oni nebyli objeveni NEC vědci , jak je uvedeno v tiskové zprávě . Ty byly vyrobeny podle vysokých teplot tepelné ošetření fullerenů sazí – klikněte zde pro zobrazení typický obraz . Skupina Sumio Iijima je následně ukázalo, že by mohly být také vyrobeny laserovou ablací grafitu , a dal jim jméno ” nanohorns ” . Tato skupina prokázala, že nanohorns mají pozoruhodnou adsorpční a katalytické vlastnosti , a které mohou být použity jako složky nové generace palivových článků . Podrobnosti naleznete na NEC tiskovou zprávu a tuto novinku od CNN .

Comments are closed.