Hiilinanoputken tieteen ja teknologian

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

Hiilinanoputket ovat molekyyli-mittakaavassa putket graphitic carbon erinomaisia ominaisuuksia. He ovat jäykin ja vahvin kuidut tiedossa, ja on merkittävä sähköisiä ominaisuuksia, ja monia muita ainutlaatuisia ominaisuuksia. Näistä syistä ne ovat houkutelleet valtava akateemisen ja teollisuuden etua, tuhansia papereita, nanoputket julkaistaan joka vuosi. Kaupallisia sovelluksia on ollut melko hidas kehittää, kuitenkin, lähinnä koska korkeat tuotantokustannukset parasta laatua nanoputkia.

Historia

Nykyinen valtava kiinnostus hiilinanoputkia on suoraa seurausta synteesin buckminsterfullerene, C60 , ja muut fullereeneista, vuonna 1985. Havaittiin, että hiili voi muodostaa vakaa, määräsi rakenteet muut kuin grafiitti ja timantti kannustanut tutkijoita maailmanlaajuisesti etsiä muita uusia muotoja hiiltä. Etsintä sai uutta pontta, kun se oli osoittanut, vuonna 1990, että C60 voisi olla tuotettu yksinkertainen kaari-haihtuminen laite helposti käytettävissä kaikissa laboratorioissa. Se oli käyttämällä tällainen höyrystin että Japanilainen tiedemies Sumio Iijima fullereenit löydettiin liittyviä hiilinanoputkien vuonna 1991. Putket sisälsivät vähintään kaksi kerrosta, usein paljon enemmän, ja vaihteli ulompi halkaisija on noin 3 nm 30 nm. He olivat poikkeuksetta suljettu molemmista päistä.

Lähetyksen elektroni micrograph joitakin multiwalled nanoputkia on kuvassa (vasemmalla). Vuonna 1993 uuden luokan hiilinanoputken löydettiin vain yksi kerros. Nämä single-walled nanoputket ovat yleensä kapeampi kuin multiwalled putket, joiden halkaisija on tyypillisesti välillä 1-2 nm, ja niillä on taipumus olla kaareva, pikemminkin kuin suora. Oikealla oleva kuva osoittaa joitakin tyypillinen single-walled putket, Se oli pian todettiin, että nämä uudet kuidut oli erilaisia poikkeuksellisia ominaisuuksia (katso alla), ja tämä herätti räjähdystä tutkimuksen hiilinanoputkia. On tärkeää huomata, kuitenkin, että nanomittakaavan putket hiiltä, tuotetaan katalyyttisesti, oli ollut tiedossa jo vuosia ennen Iijima on löytö. Tärkein syy, miksi nämä varhaiset putket ei kiihottaa edun kannalta on se, että ne olivat rakenteeltaan melko epätäydellinen, joten ei ollut erityisen mielenkiintoisia ominaisuuksia. Viimeaikainen tutkimus on keskittynyt laadun parantamiseen katalyyttisesti valmistettuja nanoputkia.

Rakenne

Liimaus hiilinanoputkien on sp2, jossa jokainen atomi liittyi kolme naapureita, kuten grafiitista. Putket voivat siis katsoa, rullalle kääritty grafeeni levyt (grafeeni on yksilön grafiitti kerros). On olemassa kolme eri tapaa, joilla grafeeni levy voi olla kaulitaan putkeen, kuten on esitetty kaaviossa.

 

 

Kaksi ensimmäistä näistä, joka tunnetaan nimellä “nojatuoli” (ylhäällä vasemmalla) ja “siksak” (keskellä vasemmalla) on korkea symmetria. Termit “nojatuoli” ja “siksak” viittaavat järjestely laput ympäri kehää. Kolmannen luokan putki, joka käytännössä on yleisin, tunnetaan kiraalinen, mikä tarkoittaa, että se voi olla olemassa kaksi peili-liittyvät lomakkeet. Esimerkki kiraalinen nanoputkien näkyy vasemmassa alakulmassa.

Wedge

Rakenne nanoputkien  olla määritelty vektori, (n,m), joka määrittelee, miten grafeeni levy on rullattu ylös. Tämä voidaan ymmärtää suhteessa kuva oikealla. Tuottaa nanoputkien kanssa, indeksit (6,3), sanoa, että levy on rullattu ylös niin, että atomi merkintä (0,0) on päällä merkinnällä (6,3). Se voidaan nähdä kuva, että m = 0 kaikille siksak-putket, kun n = m kaikille nojatuoli putket.

Synteesi

Arc-haihdutus-menetelmä, joka tuottaa parasta laatua nanoputket, liittyy kulkee nykyinen noin 50 ampeeria kahden grafiittielektrodien ilmapiirissä heliumia. Tämä aiheuttaa grafiitti höyrystys, joitakin se tiivistyy seinille reaktioastiaan, ja osa siitä on katodi. Se on talletus on katodi, joka sisältää hiilinanoputkia. Single-walled nanoputkia on valmistettu, kun Co ja Ni tai jokin muu metalli on lisätty anodi. Se on tunnettu jo 1950-luvulla, jos ei aiemmin, että hiilinanoputkia voidaan tehdä myös viemällä hiiltä sisältävää kaasua, kuten hiilivetyjen, yli katalysaattori. Katalyytti koostuu nano-kokoiset hiukkaset metallia, yleensä Fe, Co-tai Ni. Nämä hiukkaset toimivat jakautuminen kaasumaisten molekyylien hiiltä, ja putki sitten alkaa kasvaa metalli hiukkanen kärjessä. Se oli osoitettu vuonna 1996, että single-walled nanoputket voivat myös olla valmistettu katalyyttisesti. Täydellisyyttä hiilinanoputkien tuotettu tällä tavalla on yleisesti ottaen ollut heikompi kuin niitä tehdään arc-haihtumista, mutta suuri parannuksia in tekniikka on tehty viime vuosina. Suuri etu katalyyttinen synteesi yli arc-haihtuminen on, että se voidaan skaalata ylös volume tuotanto. Kolmas tärkeä menetelmä tehdä hiilinanoputkien liittyy käyttämällä voimakas laser höyrystys metalli-grafiitti kohde. Tätä voidaan käyttää tuottamaan single-walled putket, joilla on korkea tuotto.

Ominaisuudet

Vahvuus sp2 hiili-hiili-sidoksen antaa hiilinanoputkien uskomattomia mekaanisia ominaisuuksia. Jäykkyys materiaali on mitattuna sen kimmokerroin, muutosnopeus stressiä soveltaa rasitusta. Nuori on modulus paras nanoputkia voi olla niinkin korkea kuin 1000 GPa, joka on noin 5x suurempi kuin teräksen. Vetolujuus, tai rikkomatta kanta nanoputket voivat olla jopa 63 GPa, noin 50x suurempi kuin teräksen. Nämä ominaisuudet yhdistettynä keveys hiilinanoputket, antaa heille suuri potentiaali sovelluksia, kuten ilmailu. Se on jopa ehdotettu, että nanoputkia voidaan käyttää “tilaa hissi”, Earth-to-space-kaapeli ehdotti ensimmäisenä Arthur C. Clarke. Sähköisten ominaisuuksien hiilinanoputket ovat myös satunnaisia. Erityisen merkittävää on se, että nanoputkia voi olla metallinen tai puolijohtavalla riippuen niiden rakenteesta. Niinpä jotkut nanoputket ovat johtavuuksien suurempi kuin kupari, kun taas toiset toimivat enemmän piitä. Siellä on suurta kiinnostusta mahdollisuutta rakentaa nanomittakaavan sähköisiä laitteita nanoputkia, ja jotkut on edistytty tällä alalla. Kuitenkin, jotta voidaan rakentaa hyödyllinen laite, meidän täytyy järjestää monia tuhansia nanoputket määritelty kuvio, ja meillä ei ole vielä asteen ohjaus tarpeen tämän tavoitteen saavuttamiseksi. On olemassa useita teknologian aloilla, joissa hiilinanoputkia käytetään jo. Näitä ovat litteät näytöt, skannaus koetin mikroskoopit ja tunnistus-laitteet. Ainutlaatuisia ominaisuuksia hiilinanoputkien johtaa epäilemättä monia muita sovelluksia.

Nanohorns

Single-walled carbon käpyjä morfologioita samanlaisia kuin nanoputkien caps oli ensin laatinut Peter Harris, Edman Tsang ja työtovereiden vuonna 1994 (klikkaa täältä katso paperi). Ne oli valmistettu korkean lämpötilan lämpö hoitoja fullereeni noki – klikkaa täällä tyypillinen kuva. Sumio Iijima on ryhmä myöhemmin osoitti, että ne voivat myös olla valmistettu laser-ablaatio grafiitti, ja antoi heille nimen “nanohorns”. Tämä ryhmä on osoittanut, että nanohorns on merkittävä adsorptiivinen ja katalyyttinen ominaisuudet.

Leave a Reply

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