Что такое нанотрубки: Что такое углеродные нанотрубки? | New-Science.ru

Что такое углеродные нанотрубки? | New-Science.ru

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические молекулы, изготовленные из свернутых листов графена. Это самые жесткие и прочные материалы, которые были синтезированы. Они имеют уникальные электрические и тепловые свойства. Эти нанотрубки могут иметь множество применений, от электроники до материаловедения.

С момента открытия углеродных нанотрубок в 1991 году появился новый ученик в области материаловедения — нанонаука. Многие университеты и организации по всему миру вложили миллионы долларов, чтобы раскрыть тайны этих материалов.

Углеродные нанотрубки — интригующий аллотроп углерода. У них есть множество уникальных, никогда не встречавшихся ранее свойств. Например, они могут быть плотными и сильными, будучи тоньше человеческого волоса.

Углеродная нанотрубка представляет собой чрезвычайно маленькую цилиндрическую структуру, изготовленную из графена. Графен представляет собой один слой атомов углерода, плотно связанных в двумерной гексагональной решетке.

Они могут быть изготовлены различной длины в соответствии с требованиями. Эти конструкции невероятно легкие, стабильные и обладают потенциалом для разработки удивительных материалов будущего. На самом деле, они считаются лучшим кандидатом на материал для строительства космического лифта.

Ниже мы подробно остановились на процессе производства, свойствах и применениях углеродных нанотрубок. Это просто краткий обзор того, что мы знаем об этих удивительных молекулах.

Два основных типа углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки могут быть классифицированы на основе их структуры —

Одностенная зигзагообразная углеродная нанотрубка

1) Одностенные нанотрубки (ОСНТ): имеют диаметры в диапазоне один нанометр. Они являются одним из углеродных аллотропов, промежуточных между плоскими графеновыми и фуллереновыми клетками.

2) Многостенные нанотрубки (MWNT): состоит из нескольких концентрически связанных углеродных нанотрубок. Они могут быть длиной в несколько микрометров (или даже миллиметров) с диаметром более 100 нанометров.

Обе структуры имеют различные характеристики, которые делают эти нанотрубки подходящими для различных применений.

Многостенные нанотрубки

Кто открыл углеродные нанотрубки?

Это довольно спорный вопрос, потому что многие ученые сообщают о существовании углеродных нанотрубок. В документе, опубликованном в 2006 году, описывалось увлекательное и часто искаженное происхождение углеродной нанотрубки.

Хотя история углеродных нанотрубок восходит к началу 1950-х годов (когда два российских ученых опубликовали четкие изображения углеродных трубок с 50 нанометрами), большая часть научной и популярной литературы посвящена японскому физику Сумио Иидзиме за открытие полого нанометрового размера трубы, состоящие из графитового углерода.

В 1991 году он написал статью, описывающую многостенные углеродные нанотрубки, что послужило основанием для интенсивных исследований углеродных наноструктур.

Как они сделаны?

Углеродные нанотрубки могут быть изготовлены несколькими способами. Тремя наиболее распространенными процедурами являются разряд, лазерная абляция и химическое осаждение из паровой фазы.

Дуговой разряд — это традиционная технология, в которой углеродные нанотрубки получают дуговым испарением двух углеродных стержней, расположенных вплотную. Эти нанотрубки затем изолируются от пара и сажи.

При лазерной абляции для испарения графита используются инертный газ и пульсирующий лазер (при высоких температурах). Углеродные нанотрубки затем извлекаются из паров, которые обычно требуют дальнейшей очистки.

Процесс химического осаждения из паровой фазы дает возможность массового производства нанотрубок в более легко контролируемых условиях и при меньших затратах. Таким образом, в настоящее время это самый популярный метод синтеза углеродных нанотрубок.

В этом процессе производители объединяют углеродсодержащие реакционные газы (такие, как окись углерода или водород) с металлическими катализаторами (такими как железо), чтобы получить нанотрубки на катализаторе внутри высокотемпературной печи.

Процесс может быть либо плазменным, либо чисто каталитическим. Последнее требует более высоких температур (до 750 ° C), чем процесс с плазменной поддержкой (200-500 ° C).

Во всех этих трех методах конечные продукты должны быть дополнительно очищены с использованием различных методов, таких как обработка ультразвуком или кислотой.

Свойства углеродных нанотрубок

Механический — с точки зрения модуля упругости и прочности на разрыв, углеродные нанотрубки являются самыми жесткими и прочными материалами, которые синтезируются. Этот вид силы происходит от чрезвычайно сильной формы молекулярного взаимодействия между отдельными атомами углерода — ковалентными связями sp².

Сравнение механических свойств разных материалов

Нанотрубки удерживаются вместе сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Обычно углеродные нанотрубки намного длиннее своего диаметра. В 2013 году исследовательская группа создала углеродные нанотрубки длиной 0,5 метра с отношением диаметра к длине 1: 132 000,00.

Исследование, проведенное в 2008 году, показало, что отдельные нанотрубки могут иметь прочность до 100 гигапаскалей. Стандартные одностенные нанотрубки, однако, могут выдерживать давление до 25 гПа без постоянной деформации.

Электроуглеродные нанотрубки обладают исключительной электропроводностью. Они либо металлические, либо полупроводниковые, и эти свойства не зависят от того, свернута ли трубка ниже или выше плоскости графена. Электрические свойства остаются неизменными для нанотрубки и ее зеркального отражения.

Теоретически, металлические нанотрубки могут нести в 1000 раз больше плотности электрического тока, чем металлы, такие как медь.

Оптико-углеродные нанотрубки обладают полезными свойствами фотолюминесценции, оптического поглощения и спектроскопии комбинационного рассеяния света.

Они обеспечивают надежную и быструю характеристику «качества нанотрубок» с точки зрения структурных дефектов и нетрубого содержания углерода. Эти характеристики определяют практически все важные свойства, включая электрические, механические и оптические свойства.

Хотя электрохимические, электрические и механические свойства нанотрубок хорошо изучены и имеют практическое применение в различных областях, применение оптических свойств до сих пор неясно. До настоящего времени светодиоды, оптоэлектронные запоминающие устройства, болометры были реализованы с использованием одностенных углеродных нанотрубок.

Термические — углеродные нанотрубки обладают уникальными термическими свойствами, которые делают их особенными для разработки новых материалов. На самом деле их теплопроводность намного лучше, чем у алмазов.

Теплопроводность при комнатной температуре одностенной нанотрубки вдоль ее оси составляет 3500 Вт · м -1 · К -1. Температурная стабильность этих нанотрубок составляет около 750 °С на воздухе и до 2800 °С в вакууме.

Применение

За последние два десятилетия цены на углеродные нанотрубки снизились с 1500 долларов за грамм до 2 долларов за грамм. Это открыло широкий спектр применений, особенно в области материаловедения и электроники.

В настоящее время используются плоские дисплеи, сенсорные устройства, сканирующие зондовые микроскопы, ветряные турбины, морские краски, велосипедные компоненты и спортивное оборудование, такое как хоккейные клюшки, лыжи и бейсбольные биты.

Гибкий водородный датчик из одностенных нанотрубок / Фото: DR. Sun / Argonne

Объемные углеродные нанотрубки были использованы для создания вантаблака (одного из самых темных известных материалов, который поглощает до 99,96% видимого света). В тканевой инженерии они могут использоваться в качестве строительных лесов для роста костей.

В будущем эти нанотрубки могут использоваться для различных целей: их можно использовать для лечения рака, мониторинга окружающей среды, накопления энергии, плоских дисплеев, конструкций самолетов, радаров и космических аппаратов.

Риски для здоровья углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки-это недавно открытый материал с многолетней историей. Нам еще многое предстоит раскрыть. Хотя из-за этого материала не произошло никаких серьезных несчастных случаев, некоторые результаты показывают, что нанотрубки могут представлять опасность для здоровья, аналогичную асбесту.

Потенциальные риски для здоровья не являются причиной для тревоги, но компании, работающие с углеродными нанотрубками, должны принять некоторые меры предосторожности, чтобы избежать воздействия.

В 2013 году Национальный институт безопасности и гигиены труда опубликовал отчет с подробным описанием рисков и рекомендованных пределов воздействия для углеродных нановолокон и нанотрубок.

В 2016 году Европейский Союз установил правила коммерциализации одностенных углеродных нанотрубок (до 10 метрических тонн).

Последние исследования

Много исследований было проведено в той же области, особенно в последние пару лет.

Например, в 2019 году ученые открыли новый способ физического измерения углеродных нанотрубок. Другая группа исследователей продемонстрировала 16-разрядный микропроцессор, состоящий из 14 000 углеродных нанотрубок.

В 2018 году исследователи создали большое количество нетронутых одностенных нанотрубок в оттенках радуги. Это может найти применение в средствах для нанесения покрытий для новых типов солнечных элементов или технологий с сенсорным экраном.

В 2017 году ученые обнаружили, что усовершенствованные одностенные углеродные нанотрубки могут предложить более эффективный и устойчивый способ очистки и очистки воды, чем традиционные промышленные материалы, такие как силиконовые гели.

нанотрубка, углеродная

нанотрубка, углеродная сокр., УНТ (англ. carbon nanotube сокр., CNT; SWNT; MWNT) — полая цилиндрическая структура диаметром от десятых до нескольких десятков нм и длиной от одного до нескольких сотен микрометров и более, образованная атомами углерода и представляющая собой свернутую в цилиндр графеновую плоскость.

Описание

Впервые УНТ систематически описаны Сумио Ииджимой (Sumio Iijima, корпорация NEC), обнаружившим их в 1991 г. как побочный продукт синтеза фуллерена C₆₀ [1], и, практически одновременно с ним, группой Л.А. Чернозатонского [2]. Упоминания о существовании схожих по морфологии необычных форм углерода встречались и раньше [3, 4], однако дальнейшего развития эти работы тогда не получили.

Свертка графенового листа в однородный по длине цилиндр может происходить вдоль различных направлений, вследствие чего номенклатура нанотрубок весьма обширна. Однослойные нанотрубки характеризуются так называемым хиральным вектором (n,m), соединяющим пары атомов, совпадающие при такой умозрительной свертке, где числа n и m являются координатами данного вектора в кристаллографическом базисе графенового листа и n ≥ m. В зависимости от n и m электронные свойства нанотрубок существенно различаются: нанотрубки, для которых n – m делится на 3, проявляют металлические свойства, а все прочие — полупроводниковые, хотя с ростом диаметра нанотрубки ширина запрещенной зоны в любом случае приближается к нулю. Числа n и m однозначно определяют диаметр и зонную структура нанотрубок, на чем основаны методы характеристики нанотрубок с помощью электронной и КР-спектроскопии.

Выделяют нанотрубки типа «зигзаг», или (n, 0), и нанотрубки типа «кресло», или (n, n). Эти нанотрубки обладают зеркальной симметрией, тогда как все остальные являются хиральными. Помимо однослойных, существуют многослойные (многостенные) нанотрубки, представляющие собой несколько одностенных нанотрубок, вложенных одна в другую. Также нанотрубки подразделяют на открытые и закрытые. У последних торцы замкнуты полусферическими углеродными шапками, содержащими по шесть пятиугольных граней и являющимися половинами соответствующих молекул фуллеренов. Поскольку большая кривизна этих шапок обуславливает их повышенную реакционную способность, закрытые нанотрубки можно преобразовать в открытые окислительным путем.

Известно несколько методов получения нанотрубок. Изначально их получали электродуговым способам, подобно фуллеренам, что приводило к смесям однослойных и многослойных нанотрубок. Затем был предложен метод лазерной абляции (см. импульсное лазерное напыление) графита в присутствии частиц металла (кобальта, никеля), выступающих в качестве катализатора. Этот способ позволил получать преимущественно одностенные нанотрубки со сравнительно узким распределением по диаметрам и большим выходом.

В последнее время наиболее активно развиваются подходы, основанные на осаждении из газовой фазы, которые считаются наиболее коммерчески перспективными. Они базируются на термическом разложении углерод-содержащих газов (монооксида углерода, низших углеводородов и спиртов или более сложных молекул) на каталитических наночастицах металлов, приводящем к зарождению нанотрубок и, в дальнейшем, их росту «с основания».

При использовании осаждения из плазмы направление роста нанотрубок может быть ориентировано с помощью электрического поля. С помощью осаждения из газовой фазы получают плотные линейно ориентированные массивы нанотрубок толщиной (высотой массива) до миллиметров с возможностью контроля типа образующихся нанотрубок.

Весьма актуальным является вопрос разделения нанотрубок, поскольку для конкретных применений могут быть нужны нанотрубки определенного типа (например, металлические или полупроводниковые) и не слипающиеся в пучки, которые могут быть достаточно прочно связаны за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий по всей длине трубок. Известны способы разделения, основанные на центрифугировании, электрофорезе, хроматографии и т.п.

Для получения одиночных трубок используют различные ПАВ и даже комплексы нанотрубка–ДНК. Возможно, что многие трудности в этой области будут преодолены в результате совершенствования методик направленного каталитического синтеза нанотрубок нужных типов.

Возможные применения нанотрубок весьма обширны, поскольку нанотрубки обладают уникальными электрическими, магнитными, оптическими и механическими свойствами. В частности, УНТ на порядок прочнее стали; модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает значения порядка 1–5 ТПа, в связи с чем широко исследуется влияние добавок нанотрубок на прочностные характеристики материалов. На основе нанотрубок создаются диоды и полевые транзисторы, плотность тока в металлических нанотрубках может на порядки превышать соответствующие величины для металлов.

Особенно перспективными материалами для молекулярной электроники могли бы стать дефектные нанотрубки, в которых дефектный участок соединяет нанотрубки разных типов или даже образует тройные (разветвляющиеся) контакты.

Исследуется применение нанотрубок в новых сверхпрочных и сверхлегких композиционных материалах. Нанотрубки используются в качестве игл в сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии, а также для создания полупроводниковых гетероструктур. Созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из углеродных нанотрубок. При этом важным отличием нанотрубок от многих традиционных материалов является анизотропия их свойств: при чрезвычайно высоких проводимости и теплопроводности вдоль оси нанотрубки, в поперечных направлениях они проявляют скорее изолирующие свойства.

Также разрабатываются технологии применения УНТ в биомедицине и криминалистике. Однако известны работы, свидетельствующие о токсичности нанотрубок для организма.

Иллюстрации

Углеродные нанотрубки, обнаруженные в 1952 г. сотрудниками ИФХЭ Л. В. Радушкевичем и В.М. Лукъяновичем [3].

Авторы

• Гольдт Илья Валерьевич
• Шляхтин Олег Александрович
• Иоффе Илья Нафтольевич

Источники

1. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature. 1991. V. 354. P. 56.
2. Косаковская Я. и др. Нановолоконная углеродная структура // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т. 56. С. 26.
3. Радушкевич Л. В., Лукьянович В.М. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте // ЖФХ. 1952. Т. 26. С. 88.
4. Oberlin A. et al. High resolution electron microscope observations of graphitized carbon fibers // Carbon. 1976. V. 14. P. 133.
5. Англо-русский терминологический словарь по микро- и наносистемной технике / Под ред. П. П. Мальцева. — М: Техносфера, 2008. С. 432.

Напишите нам

• А
• Б
• В
• Г
• Д
• Ж
• З
• И
• К
• Л
• М
• Н
• О
• П
• Р
• С
• Т
• У
• Ф
• Х
• Ц
• Ч
• Ш
• Э
• Я

• A
• B
• C
• D
• E
• F
• G
• H
• I
• J
• K
• L
• M
• N
• O
• P
• Q
• R
• S
• T
• U
• V
• W
• X
• Z

Что такое углеродные нанотрубки и почему вас это должно волновать?

3 мая 2018 г.

Вы слышали об углеродных нанотрубках? Возможно нет.

Звучит как футуристическая технология, которая имеет множество смутно высокотехнологичных свойств. И это в значительной степени именно то, что они есть.

Углеродные нанотрубки изготавливаются из материалов, аналогичных углеродному волокну, и хотя нанотрубки имеют структурное применение, такое же, как углеродное волокно, они делают это и многое другое.

В этой статье мы расскажем, что, почему и как с углеродными нанотрубками, чтобы вы поняли, что они из себя представляют и почему они действительно важны для вас.

Углеродные нанотрубки сделаны из графитоподобного соединения — отсюда и слово «углерод» в названии. Тот же самый материал, из которого делают все, от угля до карандашного «грифеля» и алмазов, можно изменить, чтобы создать трубчатый, похожий на проволочную сетку лист наночастиц. Часть нанотрубок происходит из-за способа формирования трубок. Это буквально «листы» графена, которые затем сворачиваются в маленькие «трубочки», настолько маленькие, что термин «нано» вполне точен.

Примечания A nanoScience Instruments:

Углеродная нанотрубка представляет собой трубчатый материал, сделанный из углерода, имеющий диаметр, измеряемый в нанометровом масштабе. Нанометр — это одна миллиардная часть метра, или примерно в 10 000 раз меньше человеческого волоса. CNT уникальны, потому что связь между атомами очень сильна, а трубки могут иметь экстремальные пропорции. Углеродная нанотрубка может быть толщиной всего в несколько нанометров, но иметь длину до сотен микрон. Чтобы представить это в перспективе, если бы ваши волосы имели такое же соотношение сторон, длина одной пряди была бы более 40 метров.

Эти трубы могут существовать сами по себе или быть многостенными путем наматывания друг на друга слоев разного диаметра. То, как листы графена и углеродные нанотрубки на самом деле формируются в процессе производства, включает в себя химическую алхимию и термическое отверждение, но очень похоже на то, как производятся листы из углеродного волокна.

Как они работают?

Здесь все становится интереснее. В отличие от углеродного волокна, которое обычно используется в качестве структурного компонента во всем, от клюшек для гольфа до кузовов автомобилей, углеродные нанотрубки действуют как структурные компоненты и как проводники.

Сегодня нанотрубки чаще всего используются в качестве структурного усиления для изделий из углеродного волокна. В этом приложении трубы действуют примерно так же, как арматура в традиционной бетонной конструкции, где они добавляют направленную поддержку вдоль больших плоских «листов» углеродного волокна.

Но применение, которое попало в заголовки газет, когда впервые были разработаны нанотрубки (и продолжает обещать радикальные технологические прорывы), — это проводники с физическими свойствами и техническими характеристиками, по сравнению с которыми кремниевые чипы кажутся реликвиями каменного века.

Одностенные углеродные нанотрубки могут иметь размер всего один атом углерода в поперечнике. Это означает, что вся трубка имеет диаметр один нанометр, что составляет примерно 1/10 000 толщины человеческого волоса. Действуя как полупроводник, углеродные нанотрубки могут вместить значительно больше транзисторов на «чипе» того же размера, что и современные кремниевые версии.

Больше транзисторов означает большую мощность, меньшее тепловыделение и большую надежность на протяжении всего срока службы продукта.

Как они изменят нашу жизнь?

Чипы из углеродных нанотрубок не только меньше (или значительно мощнее при сравнимых размерах), они также работают быстрее и эффективнее, выделяя гораздо меньше тепла, чем современные кремниевые чипы.

Почти не требуется никаких объяснений, чтобы разбить потенциальные разработки, которые углеродные нанотрубки позволили бы в области программного и аппаратного обеспечения. Устройства меньшего размера, больше памяти, более высокие скорости, меньший перегрев и более длительный срок службы батареи — все это очевидные последствия, и степень улучшения по сравнению с сегодняшними технологиями не будет постепенной, она будет радикально преобразующей.

Закон Мура, гласящий, что каждые 18 месяцев количество транзисторов в компьютерном чипе удваивается, остается верным с тех пор, как он был впервые сформулирован в 1960-х годах. Однако в последние годы производительность чипов снизилась. В конце концов, на чипе столько места. Углеродные нанотрубки могут стать следующей итерацией закона Мура.

Более высокая мощность, меньший размер, меньшее тепловыделение и более высокая скорость технологии с использованием углеродных нанотрубок также обещают радикальные улучшения по сравнению с сегодняшними технологиями. Рентгеновские аппараты могли бы быть более точными с большей вычислительной мощностью, цифровые камеры могли бы стать ошеломляюще быстрее и с более высоким разрешением, а смартфоны могли бы легко иметь такой же объем памяти, как современные портативные компьютеры.

В настоящее время проводится множество экспериментов в области медицинских технологий с использованием нанотрубок, которые обещают сделать способы лечения многих болезней намного более совершенными и менее инвазивными.

Проглатываемые датчики и камеры могут позволить врачам тщательно исследовать внутренние состояния, которые раньше требовали инвазивной биопсии; проводимость и термостойкость углеродных нанотрубок будут способствовать более целенаправленному, менее разрушительному облучению и лазерному лечению, чем когда-либо прежде.

Небольшой размер, гибкость и органический химический состав нанотрубок предлагают многообещающее сочетание науки о здоровье и высоких технологий, которое кажется давно назревшим.

Научная фантастика воплотилась в жизнь

Хранение энергии в углеродных нанотрубках также имеет научно-фантастические последствия. От использования их трубчатой ​​структуры капиллярного типа для удержания газообразного водорода в топливных элементах до создания сложных батарей со сложной решетчатой ​​структурой, накоплением энергии, передачей энергии и огромной прочностью нанотрубок есть потенциал, чтобы открыть новые возможности альтернативной энергии.

Нанотрубки также обладают некоторыми уникальными фотогальваническими свойствами, которые делают их одним из самых многообещающих прорывных материалов в солнечной энергетике. Из-за своей структуры углеродные нанотрубки находят применение почти на всех этапах сбора солнечной энергии и во всех типах солнечных панелей, от действия в качестве среды для сбора света, легированной кислотой, до встраивания в фотоэлектрический слой и в качестве прозрачных электродов; затем нанотрубки можно использовать в батареях для хранения энергии, которую они также получают от солнечного света.

Как будто этого было недостаточно, наноскопическая природа углеродных нанотрубок означает, что вскоре они будут действовать как многоразовые фильтры для воды, и не только для домашней питьевой воды. Несмотря на то, что они могут фильтровать питьевую воду более эффективно и с гораздо более долговечной фильтрующей средой, чем сегодняшние фильтры на основе углерода, изменяющие мир преимущества углеродных нанотрубок в фильтрации воды связаны с прорывным открытием исследователей о «бумаге» на основе нанотрубок, которая является гидрофобным, то есть не впитывает воду, но может впитывать другие органические соединения.

Разливы нефти и других токсичных отходов могут быть эффективно «зачищены» с помощью мобильных систем фильтрации на основе нанотрубок, которые могут изменить то, как мы очищаем нашу планету после загрязнения драгоценных водных ресурсов.

Сегодня, когда вы слышите «носимые технологии», вы думаете об умных часах или, возможно, о очках Google. Вскоре это будет означать спортивные рубашки с контролем сердечного ритма, больничную одежду, которая контролирует жизненно важные органы пациентов, и даже повседневную одежду, которая способна отслеживать долгосрочное состояние здоровья при различных ранее существовавших состояниях.

Нанотрубки могут быть вплетены в ткань, не изменяя ощущения или внешнего вида, при этом создавая миниатюрные проводящие пути и «цепи», которые передают информацию на смартфон или другое устройство для мониторинга данных.

Будущее (почти) уже наступило

Прежде чем углеродные нанотрубки станут массовым явлением в бытовой электронике и других публичных приложениях, необходимо преодолеть некоторые технические препятствия, но появление этих крошечных графитовых нанотрубок — лишь вопрос времени. трубки становятся большой частью нашей повседневной жизни.

Многие приложения уже тестируются или используются с ограниченными возможностями, прежде чем крупномасштабные промышленные и потребительские продукты будут готовы к массовому использованию. Многие другие ждут широкого распространения нанотрубок в производстве, чтобы устранить потенциальные ошибки и установить достаточно низкие цены, чтобы интегрировать материал в уже существующие конструкции.

Остальные находятся где-то между теоретическими и полностью проверенными, но доступ к технологии производства только сделает нанотрубки более вездесущими, а большинство научно-фантастических приложений ближе к реальной жизни.

Итак, в следующий раз, когда вы увидите «Нанотехнологии» на этикетке или в статье в Интернете, они будут говорить именно об этом. Это может быть что-то, что может изменить мир.

 

Ресурсы:

• https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube
• https://www.nanoscience. com/applications/education/overview/cnt-technology-overview/
• https: //en.wikipedia.org/wiki/Potential_applications_of_carbon_nanotubes
• http://www.understandingnano.com/nanotubes-carbon.html
• http://discovermagazine.com/2009/jul-aug/09-ways-carbon-nanotubes-just-might-rock-world
• https://www.forbes.com/sites/kevinmurnane/2016/09 /08/углеродные нанотрубки приближаются к устареванию наших электронных устройств/

Углеродные нанотрубки. Определение, типы, свойства и применение

Углеродные нанотрубки (УНТ) являются одним из Наиболее важные наноматериалы. До 1991 года были известны только два основных аллотропа углерода. В 1991 году японский физик Сумио Лизима изобрел УНТ (еще один аллотроп углерода). Давайте обсудим определение углеродных нанотрубок, углеродная нанотрубка — это полая трубка, состоящая из углерода наноразмерного диаметра. Короче говоря, он представлен в виде УНТ. Углеродные нанотрубки также называют бакитрубками.

Нанотрубки образуются путем складывания или скручивания двумерного графита в структуру цилиндрической формы. Нанотрубки полые изнутри. Диаметр нанотрубки составляет около 1-3 нанометров. Длина углеродной нанотрубки намного превышает ее диаметр. Длина нанотрубки обычно составляет несколько микрометров. Короче говоря, можно сказать, что углеродный нан (УНТ) представляет собой свернутую форму двумерного графенового листа. УНТ (углеродные нанотрубки) обладают исключительными механическими свойствами.

Свойства углеродных нанотрубок

1. Углеродные нанотрубки жесткие. Они такие же твердые, как алмаз (самый твердый природный материал в природе).

2. Гравитационный вес нанотрубки очень мал.

3. Плотность углеродных нанотрубок составляет одну четвертую от плотности стали.

4.  Углеродные нанотрубки прочнее стали. Они обладают исключительными механическими свойствами. Углеродные нанотрубки в десять раз прочнее стали.

5. Углеродные нанотрубки обладают высокой теплоемкостью. Как правило, он в двадцать раз прочнее стали. Поэтому он не расширяется при нагревании, как сталь. Поэтому углеродные нанотрубки используются при изготовлении мостов и материалов для самолетов

6. В углеродных нанотрубках каждый атом углерода окружен тремя другими атомами углерода через ковалентные связи. Эти ковалентные связи углерод-углерод образуют решетки в форме шестиугольников.

7. Кристаллическая структура углеродных нанотрубок имеет форму правильных шестиугольников.

8. Углеродные нанотрубки эластичны.

9. Углеродные нанотрубки хорошо проводят тепло.

10. Углеродные нанотрубки обладают хорошей электропроводностью.

11. Модуль Юнга высокий. Модуль Юнга углеродных нанотрубок составляет около 1 террапаскаля, что делает углеродные нанотрубки в десять раз прочнее стали.

12. Углеродные нанотрубки химически нейтральны. Таким образом, они химически стабильны. Поэтому углеродные нанотрубки устойчивы к коррозии.

Применение углеродных нанотрубок

1. Разрушение опухоли рака молочной железы:

нанотрубки используются для разрушения опухолей молочной железы. Они играют с антителом. Антитело вместе с нанотрубками притягивается к белкам раковыми клетками в организме, а нанотрубки поглощают лазерный луч, убивая бактерии опухоли.

2. Лопасти ветряных мельниц: 

Трубки hello также используются в лопастях ветряных мельниц из-за их малого веса. Это увеличивает эффективность ветряной мельницы и помогает производить больше электроэнергии с большей скоростью.

3. Фильтрация:

углеродные нанотрубки могут быть использованы для отделения частиц размером больше диаметра углеродных нанотрубок при фильтрации через них. Их также можно использовать для улавливания ионов меньшего размера из раствора.

4. Углеродные нанотрубки в виде наноцилиндров:

газ, такой как h3, для энергии, батареи для транспортных средств можно безопасно хранить внутри углеродных нанотрубок, и проблема опасностей хранения h3 может быть решена.

• Также было показано, что углеродные нанотрубки поглощают инфракрасный свет и могут найти применение в индустрии ИК-оптики.

5. Снижение напряжения в самолете:

Нанотрубки также используются в космосе и самолетах для уменьшения веса и напряжения различных компонентов, работающих вместе.

Другое применение углеродных нанотрубок – они используются в качестве катализаторов в некоторых реакциях. Они также используются в системах доставки лекарств и в приложениях, связанных с проводимостью в электронике.

Типы углеродных нанотрубок

1. Одностенные углеродные нанотрубки

2. Многостенные углеродные нанотрубки

Одностенные углеродные нанотрубки – представлен как SWCNT. Одностенные углеродные нанотрубки существуют в одномерной структуре. Некоторыми примерами одностенных УНТ являются «кресло» и «зигзаг». Одностенные углеродные нанотрубки

Свойства одностенных углеродных нанотрубок:

• Диаметр одностенных углеродных нанотрубок составляет 2 нм.

• Длина одностенных углеродных нанотрубок составляет около 2 микрометров.

• Они существуют в одномерной структуре. Поэтому он также известен как нанопроволока.

• Электроника может быть миниатюризирована с помощью однослойной углеродной нанотрубки.

• Ширина запрещенной зоны варьируется от 0 до 2 электрон-вольт (эВ).

• Они показывают проводимость как полупроводник. Следовательно, они проявляют как металлическое, так и полупроводниковое поведение.

Ниже показано изображение углеродных нанотрубок кресла:

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Изображение зигзагообразных одностенных углеродных нанотрубок показано ниже:

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Многослойные углеродные нанотрубки. Представлено как MWCNT. Он состоит из нескольких вложенных друг в друга углеродных нанотрубок. Этот тип нанотрубок имеет два диаметра, один из которых известен как внешний диаметр, а другой известен как внутренний диаметр. Примером многостенных углеродных нанотрубок являются хиральные многостенные углеродные нанотрубки.

Свойства многостенных углеродных нанотрубок приведены ниже:

• Внешний диаметр многостенных углеродных нанотрубок составляет около 2-20 нанометров.

• Внутренний диаметр многослойных углеродных нанотрубок составляет 1-3 нм.

• Длина многослойных углеродных нанотрубок составляет около 5-6 микрометров.

Чем углеродные нанотрубки отличаются от углеродных нановолокон?

Углеродные нановолокна представлены в виде УНВ. Углеродные нановолокна имеют диаметр около 200 нм. Углеродные нановолокна не полые изнутри. Структура решетки углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон совершенно различна. В многослойных углеродных нанотрубках нанотрубки расположены концентрически, но внутри они полые. Таким образом, многослойные углеродные нанотрубки отличаются от углеродных нановолокон. Углеродные нановолокна используются уже несколько десятилетий для укрепления соединений.

Изображение многослойных углеродных нанотрубок приведено ниже:

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Для чего используются углеродные нанотрубки?

Давайте обсудим использование углеродных нанотрубок по порядку:

• Композитные материалы, содержащие углеродные нанотрубки, используются в спортивных товарах.

• Углеродные нанотрубки используются для изготовления пуленепробиваемых курток.

• Углеродные нанотрубки можно использовать для изготовления корпусов самолетов и космических кораблей.

• Углеродные нанотрубки можно использовать для создания высокоэффективных тонкопленочных транзисторов нанометрового размера для замены кремниевых транзисторов благодаря полупроводниковым свойствам углеродных нанотрубок.

• Углеродные нанотрубки можно использовать для изготовления биосенсоров и электрохимических сенсоров.

• Углеродные нанотрубки используются при изготовлении электродов для изучения электрохимических реакций из-за их превосходных электрических свойств.