OGLEKĻA NANOTUBE ZINĀTNES UN TEHNOLOĢIJU

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

Oglekļa nanocaurules ir molekulu līmenī caurules graphitic oglekļa ar izcilām īpašībām. Tie ir vieni no stiffest un spēcīgāko šķiedras zināms, un ir ievērojams elektroniskās īpašības un daudzas citas unikālas funkcijas. Šo iemeslu dēļ tās ir piesaistījušas milzīgu akadēmisko un rūpniecības interesēm, ar tūkstošiem dokumentu nanocaurules, kas tiek publicēts katru gadu. Komerciālai izmantošanai, ir bijusi samērā lēna, lai attīstītu, bet galvenokārt tādēļ, ka ir lielas izmaksas ražošanas labākās kvalitātes nanocaurulītes.Vēsture

Pašreizējā milzīgu interesi oglekļa nanocaurulītes ir tiešas sekas sintēzes buckminsterfullerene, C60 un citus fulerēni, 1985. Atklājums, ka oglekļa varētu veidot stabilu, lika citām struktūrām, kā grafīts un dimants rosināja pētniekus visā pasaulē, lai meklētu citas jaunās oglekļa formas. Meklēšana bija devis jaunu stimulu, kad tas tika parādīts 1990. gadā, ka C60 būtu ražots vienkāršs loka-tvaicēšanas aparāts viegli pieejama visās laboratorijās. Tas bija ar tādu iztvaicētāju, ka japāņu zinātnieks Sumio Iijima atklājuši fullerene radīto oglekļa nanocaurules 1991. gadā. Mēģenes satur vismaz divās kārtās, bieži vien daudz vairāk, un svārstījās ārējo diametru no aptuveni 3 nm līdz 30 nm. Viņi vienmēr bija slēgta abos galos.

Transmisijas elektronu micrograph daži multiwalled nanocaurulītes ir parādīts attēlā (pa kreisi). 1993 gada, a jauni oglekļa nanotube tika atklāts tikai vienā slānī. Šie viena-sienu nanocaurulītes parasti ir šaurākas nekā multiwalled caurules, kuru diametrs parasti svārstās no 1-2 nm, un mēdz būt izliektas, nevis taisnas. Attēla labajā pusē redzams daži tipiski vienu sienu caurules Tas drīz vien bija noskaidrots, ka šo jauno šķiedras bija virkni izņēmuma īpašības (skatīt zemāk), un tas izraisīja sprādzienu pētījumu par oglekļa nanocaurulītes. Tas ir svarīgi atzīmēt, ka tomēr astronomijas caurules oglekļa, kas ražoti, katalītiski, bija zināms jau pirms daudziem gadiem Iijima atklāts. Galvenais iemesls, kāpēc šīs agrīnās caurules nav satraukt plašu interesi ir tā, ka viņi bija strukturāli, nevis nepilnīga, tāpēc nav īpaši interesantas īpašības. Jaunākie pētījumi ir vērsti uz uzlabotu kvalitāti katalītiski-ražots nanocaurulītes.

 

 14

Struktūra

Savienošanai ar oglekļa nanocaurules ir sp2, ar katru atomu, kas ir pievienojušies trīs kaimiņi, kā grafīts. Caurules var uzskatīt par sarullēt grafēna loksnes (grafēns ir atsevišķā slānī grafīts). Pastāv trīs dažādi veidi, kā grafēns var velmēto caurules, kā parādīts attēlā zemāk.
15Pirmie divi no šiem, kas pazīstams kā “krēslā” (augšā pa kreisi) un “zigzag” (vidū pa kreisi) ir augstas pakāpes simetrijas. Termini “krēslā” un “zigzag” attiecas uz kārtību, sešstūrus ap perimetru. Trešās klases caurules, kas praksē ir visbiežāk, ir pazīstams kā hirālie, kas nozīmē, ka tā var pastāvēt divi spoguļi-piemēram, veidlapas. Piemērs hirāla nanotube ir redzams apakšā pa kreisi.

16

 

Struktūru nanotube var būt norādīta ar vektoru (n,m), kas nosaka, kā grafēns tiek sarullēts. To var saprast, atsaucoties uz attēlu, pa labi. Lai iegūtu nanotube ar indeksiem (6,3), saka, lapa ir paķēra tā, ka atoms marķēta (0,0) tiek uzklāts uz vienas etiķetes (6,3). Tas ir skaidrs no attēlā ka m = 0 visiem līkloču caurules, bet n = m visiem krēslā caurules.

Sintēzes

Arc-tvaicēšanas metodi, ražo labākās kvalitātes nanocaurulītes, nozīmē iet strāvu aptuveni 50 ampēri starp diviem elektrodiem no grafīta atmosfērā hēlija. Tas ļauj grafīta, lai vaporise, daži no tā kondensācijas sienas reakcijas trauka un tā daļas, uz katoda. Tur ir noguldījumu uz katodu, kas satur oglekļa nanocaurulītes. Vienu sienu nanocaurulītes tiek ražoti, kad Co un Ni, vai kāda cita metāla ir pievienota anodu. Tas ir pazīstams jau kopš 1950-tajos gados, ja ne agrāk, ka oglekļa nanocaurulītes var izdarīt arī iet oglekļa, kas satur gāzi, piemēram, ogļūdeņraža, vairāk katalizators. Katalizators, kas sastāv no nano-daļiņas no metāla, parasti Fe, Co un Ni. Šīs daļiņas paātrināt sadalījums gāzveida molekulām vērā oglekļa, un caurule, tad sāk augt ar metāla daļiņu galu. Tas bija redzams 1996. gadā, kas viena-sienu nanocaurulītes var ražot arī no katalītiski. Pilnību oglekļa nanocaurulītes, kas ražota tādā veidā kopumā ir sliktākas nekā tiem, kas veikts ar loka iztvaikošanas, bet lielu uzlabojumu tehnoloģija, kas veikti pēdējos gados. Liela priekšrocība, katalītiskās sintēzes vairāk nekā loka iztvaikošana ir, ka tas var tikt samazināts pat par ražošanas apjomiem. Trešā svarīga metode, lai padarītu oglekļa nanocaurulītes ietver, izmantojot jaudīgu lāzera vaporise metāla-tērauda mērķa. Tas var tikt izmantots, lai ražotu vienu sienu caurules ar augstu ienesīgumu.

Īpašības

Izturības sp2 oglekļa-oglekļa saites dod oglekļa nanocaurulītes pārsteidzošs un mehāniskās īpašības. Stīvums no materiāla, kas ir mērāmi tā junga modulis, maiņas stresa ar piemēroto celms. Ar junga modulis no labākajiem nanocaurulītes var būt tikpat augsta kā 1000 GPa, kas ir aptuveni 5 reizes lielāka, nekā tērauda. Stiepes izturība, vai pārkāpj celma nanocaurulītes var būt līdz pat 63 GPa, ap 50 lielāka, nekā tērauda. Šīs īpašības kombinācijā ar vieglumu oglekļa nanocaurules, kas dod viņiem lielu potenciālu programmas, piemēram, kosmiskās aviācijas nozarē. Tas ir arī ierosināts, ka nanocaurulītes var tikt izmantoti “kosmosa liftu”, Zeme-izplatījums kabeli, pirmo ierosināto Arthur C. Clarke. Elektroniskās īpašības oglekļa nanocaurulītēm ir arī neparasts. Īpaši ievērības cienīgs ir fakts, ka nanocaurulītes var būt metālisks vai pusvadītāja atkarībā no to struktūras. Tādējādi, daži nanocaurulītes ir conductivities lielāks nekā tas, ko vara, bet citi uzvedas drīzāk kā silikona. Tur ir liela interese spēja veidot nanomērogā, elektroniskās ierīces no nanocaurulītes, un ir panākts zināms progress šajā jomā. Tomēr, lai izveidotu noderīga ierīce, kas mums būtu nepieciešams, lai sakārtotu daudziem tūkstošiem nanocaurules noteikto kārtību, un, ka mums vēl nav kontroles līmeni, kas ir nepieciešams, lai sasniegtu šo. Ir vairākas jomas, tehnoloģiju, ja oglekļa nanocaurulītēm jau tiek izmantoti. Tie ietver plakanajiem displejiem, skenējošās zondes mikroskopi un ierīcēm. Unikālās īpašības oglekļa nanocaurulītēm, bez šaubām, noved pie daudz vairāk programmas.

Nanohorns

Vienu sienu oglekļa konusi ar morphologies līdzīgi nanotube caps pirmo reizi tika sagatavoti Peter Harris, Edman Tsang un kolēģiem 1994. gadā (noklikšķiniet uz šeit, lai redzētu, mūsu papīra). Tie bija nav, atklāja NEC zinātnieki, kā noteikts paziņojums presei. Tie tika izgatavoti no augstas temperatūras, karstuma apstrādes fullerene sodrēju – noklikšķiniet uzšeit, lai redzētu, tipisks attēlu. Sumio Iijima grupa vēlāk atklāja, ka tās arī varētu būt, ko ražo lāzera ablācijas no grafīta, un deva tiem vārdu “nanohorns”. Šī grupa ir pierādījusi, ka nanohorns ir ievērojams adsorptive un katalītiskās īpašības, un tie var tikt izmantoti kā sastāvdaļas jaunas paaudzes degvielas šūnu. Sīkāku informāciju skatīt NEC presei un šis stāsts noCNN.