Нанотрубка это: Углеродные нанотрубки, их производство, свойства и применение

Содержание

Углеродные нанотрубки, их производство, свойства и применение

Углеродные нанотрубки, их производство, свойства и применение.

 

 

Углеродные нанотрубки – это углеродная модификация углерода, представляющая собой полые цилиндрические структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.

 

Описание углеродных нанотрубок

Виды и классификация углеродных нанотрубок

Свойства и преимущества углеродных нанотрубок

Физические свойства углеродных нанотрубок

Получение углеродных нанотрубок

Применение углеродных нанотрубок

Другие формы углерода: графен, усиленный – арматурный графен, карбин, алмаз, фуллерен, углеродные нанотрубки, “вискерсы”.

 

Описание углеродных нанотрубок:

Углеродные нанотрубки – это углеродная модификация углерода, представляющая собой полые цилиндрические структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.

Углеродные нанотрубки являются одной из аллотропных форм углерода наряду с алмазом, графитом, графеном, фуллереном, карбином и пр.

Если смотреть на углеродную нанотрубку в микроскоп с увеличением в миллион раз, то можно наблюдать полый цилиндр, поверхность которого формируется множеством шестиугольных многоугольников. На самой вершине равностороннего многоугольника располагается атом углерода. Углеродная нанотрубка визуально напоминает лист бумаги свернутый в трубку, только вместо бумажной поверхности следует рассматривать графитовую (точнее – графеновую) плоскость. В научной среде цилиндрическую плоскость трубки принято называть графеновой. Толщина графеновой плоскости не превышает один атом углерода.

Длина углеродной нанотрубки может достигать до нескольких сантиметров. Некоторым ученым удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной 20 см. Для получения более длинных структур их можно сплести в нити неограниченной длины.

Физические свойства нанотрубок пребывают в прямой зависимости от хиральности (особенность мельчайших частиц вещества не накладываться полностью на свое зеркальное отображение).

Степень хиральности определяется зависимостью, существующей между специальными индексами хиральности (n, m) и неким углом сворачивания трубки (α).

Индексы хиральности (n, m) при этом являются координатами радиус-вектора R в заданной на графеновой плоскости косоугольной системе координат, определяющего ориентацию оси трубки относительно графеновой плоскости и ее диаметр. Индексы (n, m) указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания трубки должен совпасть с шестиугольником в начале координат.

 

Виды и классификация углеродных нанотрубок:

В зависимости от индексов хиральности различают: прямые, зубчатые, зигзагообразные и спиральные углеродные нанотрубки.

По количеству графеновых слоев углеродные нанотрубки делятся на однослойные (одностенные) и многослойные (многостенные).

Наиболее простой вид нанотрубок содержит один слой. Диаметр однослойных нанотрубок может составлять один нанометр, длина – превышать предыдущий вариант в тысячи раз.

Однослойную нанотрубку нередко отождествляют с «выкройкой» графена, имеющей сеточную структуру и состоящую из бесчисленного множества правильных многоугольников.

Многослойные нанотрубки содержат несколько слоев графена. Они характеризуются широким разнообразием форм и конфигураций. Причем разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Здесь выделяются следующие типы:

– нанотрубки в виде совокупности коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок,  т.н. тип «русская матрёшка» (russian dolls),

– нанотрубки в виде совокупности вложенных друг в друга коаксиальных (шестигранных) призм,

– нанотрубки в виде свитка (scroll).

Расстояние между соседними графеновыми слоями составляет 0,34 нм, как в обычном графите.

По типу торцов углеродные нанотрубки бывают:

– открытые,

– закрытые (заканчивающиеся полусферой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена).

По электронным свойствам углеродные нанотрубки делятся на:

– металлические.

Разность индексов хиральности (n – m) делится на 3 либо индексы равны между собой,

– полупроводниковые. Прочие значения индексов хиральности (n и m).

Тип проводимости нанотрубок зависит от их хиральности, т.е. от группы симметрии, к которым принадлежит конкретная нанотрубка, причем он подчиняется простому правилу: если индексы нанотрубки равны между собой или же их разность делится на три, нанотрубка является полуметаллом, в любом другом случае они проявляют полупроводниковые свойства.

 

Свойства и преимущества углеродных нанотрубок:

– обладают адсорбционными свойствами. Могут хранить в себе различные газы, например, водород. Попав внутрь атомы и молекулы уже не могут выйти наружу, т.к. концы трубки запаиваются, а пройти через графеновые плоскости цилиндра они не могут, т.к. углеродные решетки слишком узки для большинства атомов,

– обладают капиллярным эффектом. Углеродные нанотрубки открытым концом втягивают в себя жидкие вещества и расплавленные металлы,

– улучшение эксплуатационных характеристик других материалов при добавлении в их структуру,

– высокая прочность.

Углеродные нанотрубки прочнее лучших марок стали в 50-100 раз,

– имеют в шесть раз меньшую плотность, чем обыкновенная сталь. Это означает, что материалы на основе углеродных нанотрубок при одинаковом объеме будут в десятки раз прочнее. Нанокабель длиной от Земли до Луны, состоящий из одной углеродной нанотрубки, можно намотать на катушку размером с маковое зернышко,

– модуль Юнга у углеродных нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон,

– небольшая нить из углеродных нанотрубок диаметром 1 мм выдерживает груз весом 20 тонн, что в сотни миллиардов раз больше ее собственной массы,

– высокая огнестойкость,

– рекордно высокая удельная поверхность – до 2 600 м2/г,

– высокая гибкость. Их можно растягивать, сжимать, скручивать и пр., не опасаясь при этом повредить их каким-либо образом. Они напоминают жесткие резиновые трубки, которые не рвутся и не ломаются при различных механических нагрузках.

Однако под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не только не рвутся и не ломаются, а просто перестраиваются, сохраняя при этом высокую прочность, гибкость, прочие механические и электрические свойства,

– высокая устойчивость к изнашиваемости. Многоразовая деформация (тысячи и десятки тысяч циклов скручивания/раскручивания, сжатия/растяжения в минуту) нанотрубок никаким образом не влияет на их прочность, на их электро- и теплопроводность. Какие-либо признаки деформации либо износа при этом отсутствуют,

– повышенная электро- и теплопроводность. Проводимость меди, как лучшего металлического проводника таблицы Д.И. Менделеева, в 1000 раз хуже, чем у углеродных нанотрубок. При этом, электропроводность трубок зависит от индекса хиральности. В одних случаях нанотрубки могут быть полупроводниками, в других проявлять свойства практически идеальных проводников.  В последнем случае через нанотрубки можно пропускать электрический ток величиной 107 А/см2 и при этом они не будут выделять тепло (в то время как обычный проводник из меди сразу бы испарился),

– взаимная связь между электрическими и механическими свойствами,

– токсичность и канцерогенность, аналогичная асбестовым волокнам. Вместе с тем токчичность и канцерогенность нанотрубок (как и волокон асбеста) весьма различна и зависит от диаметра и типа волокон. На сегодняшний день продолжаются исследования по вопросу биологической совместимости нанотрубок с живыми организмами. Во всяком случае при работе с нанотрубками следует соблюдать меры безопасности, и в первую очередь обеспечить защиты органов дыхания и органов пищеварения,

– проявляют мемристорный эффект,

– занимают промежуточное положение между кристаллами и отдельными атомами. Поэтому применение углеродных нанотрубок будет способствовать миниатюризации устройств,

– с помощью углеродных нанотрубок можно создавать полупроводниковые гетероструктуры, т.е. структуры типа «металл/полупроводник» или стык двух разных полупроводников,

– обладая повышенной теплопроводностью,  эффективно рассеивают тепло,

– ловят радиоволны частотой от 40 до 400 МГц (обычные АМ и FМ волны), а затем усиливают и передают их,

– гидрофобны. Отталкивают воду.

 

Физические свойства углеродных нанотрубок:

Наименование показателя: Значение:
Удельная площадь поверхности, м2 до 2 600

 

Получение углеродных нанотрубок:

К наиболее эффективным методам синтеза нанотрубок относятся:

– лазерная абляция,

– дуговая сварка,

– химическое осаждение подложки из газовой среды под действием катализатора при температуре 700°С (CVD).

– термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда в атмосфере гелия.

Однако в результате данных методов получается смесь самых различных углеродных нанотрубок: многостенных и одностенных, с различными диаметрами, с различными индексами хиральности и соответственно с различными свойствами. Поэтому возникает серьезная техническая проблема выделения нанотрубок с заданными параметрами.

 

Применение углеродных нанотрубок:

– микроэлектроника,

– ионисторы (ультраконденсаторы, суперконденсаторы),

– технический текстиль,

– высокопрочные волокна, нити,

– радиопоглощающие покрытия,

– автомобильные детали,

– зонды для атомно-силового микроскопа,

– элементы питания длительного срока эксплуатации,

– структурные композитные материалы с улучшенными эксплуатационными характеристиками,

– противообрастающие краски (для защиты подводных частей суден),

– газовые биосенсоры,

– проводящие пластмассы,

– плоские дисплеи,

– искусственные мышцы. Искусственная мышца из скрученных нитей углеродных нанотрубок  с добавлением парафина в 85 раз сильнее человеческой,

– и др.

 

Найти что-нибудь еще?

Похожие записи:

карта сайта

композит проект углеродные нанотрубки применение реферат презентация статья купить синтез в медицине прочность формула определение унт электропроводность характеристики цена введение стоимость
нанотрубки углеродные материалы в строительстве


получение реакции замещения производители типы открытие механические свойства и применение плотность изучение свойств размеры функционализация производство структура методы способы получения углеродных нанотрубок
многослойные многостенные углеродные нанотрубки
как сделать углеродную нанотрубку

 

Коэффициент востребованности 4 534

Углеродная нанотрубка • ru. knowledgr.com

Углеродные нанотрубки (CNTs) являются allotropes углерода с цилиндрическим nanostructure. Нанотрубки были построены с отношением длины к диаметру до 132,000,000:1, значительно больше, чем для любого другого материала. У этих цилиндрических углеродных молекул есть необычные свойства, которые ценны для нанотехнологий, электроники, оптики и других областей материаловедения и технологии. В частности вследствие их экстраординарной теплопроводности и механических и электрических свойств, углеродные нанотрубки находят заявления как добавки к различным структурным материалам. Например, нанотрубки формируют крошечную часть материала (ов) в некоторых (прежде всего углеволокно) бейсбольные биты, гольф-клубы, автозапчасти или дамасская сталь

Нанотрубки - члены fullerene структурной семьи. Их имя получено из их длинной, полой структуры со стенами, сформированными одним атомом толстые листы углерода, названного графеном. Эти листы катят в определенном и дискретном («chiral») углы, и комбинация катящегося угла и радиуса решает свойства нанотрубки; например, ли отдельная раковина нанотрубки - металл или полупроводник. Нанотрубки категоризированы как одностенные нанотрубки (SWNTs) и мультиокруженные стеной нанотрубки (MWNTs). Отдельные нанотрубки естественно присоединяются в «веревки», скрепляемые силами Ван-дер-Ваальса, более определенно, укладкой пи.

Прикладная квантовая химия, определенно, орбитальная гибридизация лучше всего описывает химическое соединение в нанотрубках. Химическое соединение нанотрубок составлено полностью связей SP, подобных тем из графита. Эти связи, которые более сильны, чем связи SP, найденные в алканах и алмазе, предоставляют нанотрубкам свою уникальную силу.

Типы углеродных нанотрубок и связанных структур

Терминология

Нет никакого согласия на некоторых условиях, описывающих углеродные нанотрубки в научной литературе: и «-стена» и «-окруженный» используется в сочетании с «единственным», «дважды», «трижды» или «много», и письмо C часто опускается в сокращении; например, мультиокруженная стеной углеродная нанотрубка (MWNT).

Одностенный

File:Carbon кресло нанотрубки povray. PNG|Armchair (n, n) т.е.: m=n

File:Carbon кресло nanorim povray. Вектор перевода PNG|The согнут, в то время как chiral вектор остается прямой

File:Carbon nanoribbon povray. PNG|Graphene nanoribbon

File:Carbon nanorim делают зигзаги povray. PNG|The chiral вектор согнут, в то время как вектор перевода остается прямой

File:Carbon нанотрубка делает зигзаги povray. PNG|Zigzag (n, 0)

File:Carbon нанотрубка chiral povray. PNG|Chiral (n, m)

File:Carbon nanorim chiral povray. PNG|n и m могут быть посчитаны в конце трубы

File:Carbon nanoribbon chiral povray. PNG|Graphene nanoribbon

У

большинства одностенных нанотрубок (SWNTs) есть диаметр близко к 1 миллимикрону с ламповой длиной, которая может быть многими миллионами времен дольше. Структура SWNT может осмысляться, обертывая один атом толстый слой графита, названного графеном в бесшовный цилиндр. Путем графеновый лист обернут, представлен парой индексов (n, m). Целые числа n и m обозначают число векторов единицы вдоль двух направлений в сотовидной кристаллической решетке графена. Если m = 0, нанотрубки называют зигзагообразными нанотрубками, и если n = m, нанотрубки называют кабинетными нанотрубками. Иначе, их называют chiral. Диаметр идеальной нанотрубки может быть вычислен от (n, m) индексы следующим образом

:

где = 0,246 нм.

SWNTs - важное разнообразие углеродной нанотрубки, потому что большинство их свойств изменяется значительно с (n, m) ценности, и эта зависимость немонотонная (см. заговор Kataura). В частности их ширина запрещенной зоны может измениться от ноля приблизительно до 2 эВ, и их электрическая проводимость может показать металлическое или полупроводниковое поведение. Одностенные нанотрубки - вероятные кандидаты на миниатюризацию электроники. Наиболее основа этих систем - электрический провод, и SWNTs с диаметрами заказа миллимикрона может быть превосходными проводниками. Одно полезное применение SWNTs находится в разработке первых межмолекулярных транзисторов полевого эффекта (FET). В 2001 были сделаны первые межмолекулярные логические ворота, используя FET SWCNT. Логические ворота требуют и p-FET и n-FET. Поскольку SWNTs - p-FET, когда выставлено кислороду и n-FET иначе, возможно защитить половину SWNT от кислородного воздействия, выставляя другую половину кислороду. Это приводит к единственному SWNT, который действует как не логические ворота и с p и с FET n-типа в пределах той же самой молекулы.

Одностенные нанотрубки понижаются круто в цене приблизительно от 1 500$ за грамм с 2000 к розничным ценам приблизительно 50$ за грамм того, поскольку - произвел 40-60% в развес SWNTs с марта 2010.

SWNTs были рассмотрены как слишком дорогие для широко распространенного применения, но, как предсказывают, оказывают большое влияние в приложениях электроники к 2020 согласно Мировому рынку Углеродного отчета о Нанотрубках.

Мультиокруженный стеной

Мультиокруженные стеной нанотрубки (MWNTs) состоят из многократных кативших слоев (концентрические трубы) графена. Есть две модели, которые могут использоваться, чтобы описать структуры мультиокруженных стеной нанотрубок. В российской модели Doll листы графита устроены в концентрических цилиндрах, например, (0,8) одностенная нанотрубка (SWNT) в пределах большего (0,17) одностенная нанотрубка. В модели Parchment одинарная таблица графита насыпана вокруг себя, напомнив свиток пергамента или катившей газеты. Расстояние промежуточного слоя в мультиокруженных стеной нанотрубках близко к расстоянию между графеновыми слоями в графите, приблизительно 3,4 Å. Российская структура Куклы наблюдается более обычно. Его отдельные раковины могут быть описаны как SWNTs, который может быть металлическим или полупроводниковым. Из-за статистической вероятности и ограничений на относительные диаметры отдельных труб, одна из раковин, и таким образом целый MWNT, обычно являются металлом нулевого промежутка.

Углеродные нанотрубки с двойными стенами (DWNTs) формируют специальный класс нанотрубок, потому что их морфология и свойства подобны тем из SWNTs, но их сопротивление химикатам значительно улучшено. Это особенно важно, когда functionalization требуется (это означает прививать химических функций в поверхности нанотрубок) добавить новые свойства к CNT. В случае SWNTs ковалентный functionalization сломает некоторый C=C двойные связи, оставляя «отверстия» в структуре на нанотрубке и, таким образом, изменяя и ее механические и электрические свойства. В случае DWNTs только изменена внешняя стена. Синтез DWNT в масштабе грамма был сначала предложен в 2003 техникой CCVD от отборного сокращения окисных растворов в метане и водорода.

Телескопическая способность к движению внутренних раковин и их уникальных механических свойств разрешит использование мультиокруженных стеной нанотрубок как главные подвижные руки в прибытии nanomechanical устройства. Сила сокращения, которая происходит с телескопическим движением, вызванным взаимодействием Леннард-Джонса между раковинами и его стоимостью, составляет приблизительно 1,5 нН.

Торус

В теории nanotorus - углеродная склонность нанотрубки в торус (форма пончика). Nanotori предсказаны, чтобы иметь много уникальных свойств, таких как магнитные моменты, в 1000 раз больше, чем ранее ожидаемый для определенных определенных радиусов. Свойства, такие как магнитный момент, термическая устойчивость, и т.д. значительно различаются в зависимости от радиуса торуса и радиуса трубы.

Nanobud

Углерод nanobuds является недавно созданным материалом, объединяющимся два, ранее обнаружил allotropes углерода: углеродные нанотрубки и fullerenes. В этот новые материальные, подобные fullerene «зародыши» ковалентно соединены с внешними боковыми стенами основной углеродной нанотрубки. У этого гибридного материала есть полезные свойства и fullerenes и углеродных нанотрубок. В частности они, как находили, были исключительно хорошими полевыми эмитентами. В композиционных материалах приложенные fullerene молекулы могут функционировать как молекулярные якоря, предотвращающие скольжение нанотрубок, таким образом улучшая механические свойства соединения.

Трехмерная углеродная архитектура нанотрубки

Недавно, несколько исследований выдвинули на первый план перспективу использования углеродных нанотрубок как стандартные блоки, чтобы изготовить трехмерный макроскопический (> 1 мм во всех трех измерениях) все-углеродные устройства. Lalwani и др. сообщили, что новый радикальный инициированный тепловой crosslinking метод изготовляет макроскопический, автономный, пористый, все-углеродные леса, использующие единственный - и мультиобнесли стеной углеродные нанотрубки как стандартные блоки. Эти леса обладают макро - микро - и нано - структурированные поры и пористость могут быть скроены для определенных заявлений. Эти 3D все-углеродные леса/архитектура могут использоваться для фальсификации следующего поколения аккумулирования энергии, суперконденсаторов, полевых транзисторов эмиссии, высокоэффективного катализа, гелиотехники, и биомедицинских устройств и внедрений.

Кроме того, механическое поведение углеродной микроархитектуры нанотрубки может легко быть изменено проникновением и смещением тонких конформных покрытий.

Углеродные нанотрубки Graphenated (g-CNTs)

Graphenated CNTs являются относительно новым гибридом, который объединяет graphitic foliates выращенный вдоль боковых стен мультиокруженных стеной, или бамбук разрабатывают CNTs. Ю и др. сообщил относительно «химически графеновых листьев хранящихся на таможенных складах», растущих вдоль боковых стен CNTs. Stoner и др. описал эти структуры как «graphenated CNTs» и сообщил в их использовании для расширенной суперконденсаторной работы. Сюй и др. далее сообщил относительно подобных структур, сформированных о бумаге углеволокна, также для использования в суперконденсаторных заявлениях. Лиственная плотность может измениться как функция условий смещения (например, температура и время) с их структурой в пределах от немногих слоев графена (

Фундаментальное преимущество интегрированной графеновой-CNT структуры - высокая площадь поверхности трехмерная структура CNTs вместе с высокой плотностью края графена. Графеновые края обеспечивают значительно более высокую плотность обвинения и реактивность, чем основной самолет, но их трудно устроить в трехмерной, геометрии плотности большого объема. CNTs с готовностью выровнены в высокой геометрии плотности (т. е., вертикально выровненный лес), но испытывают недостаток в высоких поверхностях плотности обвинения — боковые стены CNTs подобны основному самолету графена и показывают низкую плотность обвинения кроме того, где дефекты края существуют. Внесение высокой плотности графена foliates вдоль выровненного CNTs может значительно увеличить полную способность обвинения за единицу номинальной области по сравнению с другим углеродом nanostructures.

Лакируемые азотом углеродные нанотрубки

Лакируемые углеродные нанотрубки азота (N-CNTs) могут быть произведены через пять главных методов, химическое смещение пара, высокотемпературные и реакции с высоким давлением, газово-твердую реакцию аморфного углерода с NH при высокой температуре, твердую реакцию и solvothermal синтез.

N-CNTs может также быть подготовлен методом CVD pyrolyzing меламина под Площадью при повышенных температурах 800–980 °C. Однако, синтез CVD меламина приводит к формированию структурированного бамбуком CNTs. Спектры XPS выращенного N-CNTs показывают азот в пяти главных компонентах, pyridinic азот, pyrrolic азот, азот четверки и окиси азота. Кроме того, температура синтеза затрагивает тип конфигурации азота.

Допинг азота играет основную роль в литиевом хранении, поскольку это создает дефекты в стенах CNT, допускающих ионы Ли, чтобы распространиться в межповерхность стены. Это также увеличивается, способность, обеспечивая более благоприятный связывают мест N-doped. N-CNTs также намного более реактивные к металлической окиси nanoparticle смещение, которое может далее увеличить вместимость, особенно в материалах анода для литий-ионных аккумуляторов. Однако, лакируемые бором нанотрубки, как показывали, сделали батареи с тройной способностью.

Peapod

Углерод peapod является новым гибридным углеродным материалом, который заманивает fullerene в ловушку в углеродной нанотрубке. Это может обладать интересными магнитными свойствами с нагреванием и озарением. Это может также быть применено как генератор во время теоретических расследований и предсказаний.

Сложенные против Кубка углеродные нанотрубки

Сложенные против Кубка углеродные нанотрубки (CSCNTs) отличаются от других quasi-1D углеродных структур, которые обычно ведут себя как квазиметаллические проводники электронов. CSCNTs показывают полупроводниковые поведения из-за микроструктуры укладки графеновых слоев.

Чрезвычайные углеродные нанотрубки

Наблюдение за самыми длинными углеродными нанотрубками, выращенными до сих пор, по 1/2 m (550 мм длиной), сообщался в 2013. Эти нанотрубки были выращены на основаниях Сайа, используя улучшенный метод химического смещения пара (CVD) и представляют электрически однородные множества одностенных углеродных нанотрубок.

Самая короткая углеродная нанотрубка - органическое соединение cycloparaphenylene, который синтезировался в начале 2009.

Самая тонкая углеродная нанотрубка - кресло (2,2) CNT с диаметром 3 Å. Эта нанотрубка была выращена в мультиокруженной стеной углеродной нанотрубке. Назначение углеродного типа нанотрубки было сделано комбинацией микроскопии электрона передачи с высокой разрешающей способностью (HRTEM), спектроскопии Рамана и вычислений плотности функциональной теории (DFT).

Самая тонкая автономная одностенная углеродная нанотрубка - приблизительно 4,3 Å в диаметре. Исследователи предположили, что это может быть или (5,1) или (4,2) SWCNT, но точный тип углеродной нанотрубки остается сомнительным. (3,3), (4,3) и (5,1) углеродные нанотрубки (все приблизительно 4 Å в диаметре) были однозначно определены, используя исправленную отклонением микроскопию электрона передачи с высокой разрешающей способностью в CNTs с двойными стенами.

Самая высокая плотность CNTs была достигнута в 2013, выращена на проводящей покрытой титаном медной поверхности, которая была покрыта кобальтом co-катализаторов и молибденом в ниже, чем типичные температуры 450 °C. Трубы составили в среднем высоту 0,38  μm и массовую плотность 1.6 g см. Материал показал омическую проводимость (самое низкое сопротивление ∼22 kΩ).

Свойства

Сила

Углеродные нанотрубки - самые сильные и самые жесткие материалы, все же обнаруженные с точки зрения предела прочности и упругого модуля соответственно. Эта сила следует из ковалентных связей SP, созданных между отдельными атомами углерода. В 2000 мультиокруженная стеной углеродная нанотрубка была проверена, чтобы иметь предел прочности. (Для иллюстрации это переводит на способность вынести напряженность веса, эквивалентного на кабеле с поперечным сечением.) Дальнейшие исследования, такой как один проводимый в 2008, показали, что у отдельных раковин CNT есть преимущества до ~, который является в согласии с квантовыми моделями / атомистическими моделями. Так как у углеродных нанотрубок есть низкая плотность для тела 1,3 к 1,4 г/см, его определенной силы до 48 000 кН · m · kg является лучшим из известных материалов, по сравнению с 154 кН высокоуглеродистой стали · m · kg.

Под чрезмерным растяжимым напряжением трубы подвергнутся пластмассовой деформации, что означает, что деформация постоянная. Эта деформация начинается в напряжениях приблизительно 5% и может увеличиться, максимум напрягаются, трубы подвергаются перед переломом, выпуская энергию напряжения.

Хотя сила отдельных раковин CNT чрезвычайно высока, слабый стригут взаимодействия между смежными раковинами, и трубы приводят к значительному сокращению эффективной силы мультиокруженных стеной углеродных нанотрубок и углеродных связок нанотрубки вниз только некоторым С. Б.Б. Это ограничение было недавно обращено, применив высокоэнергетическое электронное озарение, какие перекрестные связи внутренние раковины и трубы, и эффективно увеличивают силу этих материалов к ~60 Гпа для мультиокруженных стеной углеродных нанотрубок и ~17 Гпа для углеродных связок нанотрубки с двойными стенами.

CNTs не почти как сильные при сжатии. Из-за их полой структуры и высокого формата изображения, они имеют тенденцию подвергаться деформации, когда помещено под сжимающим, относящимся к скручиванию, или изгиб напряжения.

Экспериментальное наблюдение; Теоретическое предсказание

Вышеупомянутое обсуждение упомянуло осевые свойства нанотрубки, тогда как простые геометрические соображения предлагают, чтобы углеродные нанотрубки были намного более мягкими в радиальном направлении, чем вдоль ламповой оси. Действительно, наблюдение TEM за радиальной эластичностью предположило, что даже силы Ван-дер-Ваальса могут исказить две смежных нанотрубки. Эксперименты Nanoindentation, выполненные несколькими группами на мультиокруженных стеной углеродных нанотрубках и способе укола/контакта атомные измерения микроскопа силы, выполненные на одностенных углеродных нанотрубках, указали на модуль Молодежи заказа нескольких С. Б.Б., подтвердив, что CNTs действительно довольно мягкие в радиальном направлении.

Твердость

Стандартные одностенные углеродные нанотрубки могут противостоять давлению до 25 Гпа без деформации. Они тогда подвергаются преобразованию, чтобы супертрудно поэтапно осуществить нанотрубки. Максимальные давления измеренное использование текущих экспериментальных методов составляют приблизительно 55 Гпа. Однако эти новые супертвердые нанотрубки фазы разрушаются в еще более высоком, хотя неизвестный, давлении.

Оптовый модуль супертвердых нанотрубок фазы составляет 462 - 546 Гпа, еще выше, чем тот из алмаза (420 Гпа для единственного алмазного кристалла).

Кинетические свойства

Мультиокруженные стеной нанотрубки - многократные концентрические нанотрубки, точно вложенные в пределах друг друга. Они показывают нанесение удара складывающейся собственности, посредством чего внутреннее ядро нанотрубки может скользить, почти без трения, в пределах его внешней раковины нанотрубки, таким образом создавая атомарно прекрасное линейное или вращательное отношение.

Это - один из первых истинных примеров молекулярных нанотехнологий, точного расположения атомов, чтобы создать полезные машины. Уже, эта собственность была использована, чтобы создать самый маленький вращательный двигатель в мире. Будущие заявления, такие как гигагерц механический генератор также предполагаются.

Электрические свойства

Из-за симметрии и уникальной электронной структуры графена, структура нанотрубки сильно затрагивает свои электрические свойства. Для данного (n, m) нанотрубка, если n = m, нанотрубка металлическая; если nm является кратным числом 3, то нанотрубка полупроводниковая с очень маленькой шириной запрещенной зоны, иначе нанотрубка - умеренный полупроводник. Таким образом все кресло (n = m) нанотрубки металлические, и нанотрубки (6,4), (9,1), и т.д. полупроводниковые.

Однако у этого правила есть исключения, потому что эффекты искривления в маленьких трубах диаметра могут сильно влиять на электрические свойства. Таким образом (5,0) SWCNT, который должен быть полупроводниковым фактически, металлический согласно вычислениям. Аналогично, у зигзага и chiral SWCNTs с маленькими диаметрами, которые должны быть металлическими, есть конечный промежуток (кабинетные нанотрубки остаются металлическими). В теории металлические нанотрубки могут нести плотность электрического тока 4 × 10 А/см, которые больше чем в 1,000 раз больше, чем те из металлов, таких как медь, где для медных межсоединений плотности тока ограничены electromigration.

Из-за его наноразмерного поперечного сечения электроны размножаются только вдоль оси трубы. В результате углеродные нанотрубки часто упоминаются как одномерные проводники. Максимальная электрическая проводимость одностенной углеродной нанотрубки 2G, где G = 2e/h является проводимостью единственного баллистического квантового канала.

О

внутренней сверхпроводимости сообщили, хотя другие эксперименты не нашли доказательств этого, оставив требование предметом дебатов.

Оптические свойства

Тепловые свойства

Все нанотрубки, как ожидают, будут очень хорошими тепловыми проводниками вдоль трубы, показывая собственность, известную как «баллистическая проводимость», но хорошие изоляторы со стороны к ламповой оси. Измерения показывают, что у SWNT есть теплопроводность комнатной температуры вдоль ее оси приблизительно 3 500 Вт · m · K; сравните это с медью, металлом, известным за его хорошую теплопроводность, которая передает 385 Вт · m · K. У SWNT есть теплопроводность комнатной температуры через ее ось (в радиальном направлении) приблизительно 1,52 Вт · m · K, который является почти так же тепло проводящим как почва. Температурная стабильность углеродных нанотрубок, как оценивается, является до 2 800 °C в вакууме и приблизительно 750 °C в воздухе.

Дефекты

Как с любым материалом, существование кристаллографического дефекта затрагивает свойства материала. Дефекты могут произойти в форме атомных вакансий. Высокие уровни таких дефектов могут понизить предел прочности максимум на 85%. Важный пример - дефект Стоуна Уэйлса, который создает пятиугольник и пару семиугольника перестановкой связей. Из-за очень маленькой структуры CNTs предел прочности трубы зависит от ее самого слабого сегмента подобным образом к цепи, где сила самой слабой связи становится максимальной силой цепи.

Кристаллографические дефекты также затрагивают электрические свойства трубы. Общий результат - пониженная проводимость через дефектную область трубы. Дефект в трубах кабинетного типа (который может провести электричество) может заставить окружающую область становиться полупроводниковой, и единственные monatomic вакансии вызывают магнитные свойства.

Кристаллографические дефекты сильно затрагивают тепловые свойства трубы. Такие дефекты приводят к рассеиванию фонона, которое в свою очередь увеличивает темп релаксации фононов. Это уменьшает средний свободный путь и уменьшает теплопроводность структур нанотрубки. Транспортные моделирования фонона указывают, что заменяющие дефекты, такие как азот или бор прежде всего приведут к рассеиванию высокочастотных оптических фононов. Однако дефекты более широкого масштаба, такие как Стоун Уэйлс дезертируют фонон причины, рассеивающийся по широкому диапазону частот, приводя к большему сокращению теплопроводности.

Токсичность

Токсичность углеродных нанотрубок была важным вопросом в нанотехнологиях. С 2007 только что началось такое исследование. Данные все еще фрагментарны и подвергаются критике. Предварительные результаты выдвигают на первый план трудности в оценке токсичности этого разнородного материала. Параметры, такие как структура, распределение размера, площадь поверхности, поверхностная химия, поверхностное обвинение, и государство скопления, а также чистота образцов, оказывают значительное влияние на реактивность углеродных нанотрубок. Однако доступные данные ясно показывают, что при некоторых условиях нанотрубки могут пересечь мембранные барьеры, который предполагает, что, если сырье достигает органов, они могут вызвать неблагоприятное воздействие, такое как подстрекательские и фиброзные реакции.

При определенных условиях CNTs может войти в клетки человека и накопиться в цитоплазме, вызвав некроз клеток.

Результаты разъедающих исследований коллективно показывают, что независимо от процесса, которым CNTs синтезировались и типы и количества металлов, которые они содержали, CNTs были способны к производству воспламенения, эпителиоидные гранулемы (микроскопические узелки), фиброз и биохимические/токсикологические изменения в легких. Сравнительная токсичность учится, в котором дали мышам, равные веса испытательных материалов показали, что SWCNTs были более токсичными, чем кварц, который считают серьезной опасностью гигиены труда, когда хронически вдохнули. Как контроль, сверхтонкая сажа, как показывали, произвела минимальные ответы легкого.

Углеродные нанотрубки вносят в альвеолярных трубочках, выравнивая продольно с воздушными трассами; нанотрубки будут часто объединяться с металлами. Подобная игле форма волокна CNTs подобна волокнам асбеста. Это поднимает идею, что широкое использование углеродных нанотрубок может привести к плевральной мезотелиоме, раку подкладки легких, или брюшинной мезотелиоме, раку подкладки живота (оба вызванные воздействием асбеста). Недавно изданное предварительное исследование поддерживает это предсказание. Ученые выставили подкладку mesothelial полости тела мышей к длинным мультиокруженным стеной углеродным нанотрубкам и наблюдали подобное асбесту, зависимое от длины, патогенное поведение, которое включало воспламенение и формирование повреждений, известных как гранулемы.

Авторы исследования завершают:

Хотя дальнейшее исследование требуется, доступные данные предполагают, что при определенных условиях, особенно те, которые включают хроническое воздействие, углеродные нанотрубки, могут представлять серьезную угрозу для здоровья человека.

Синтез

Методы были развиты, чтобы произвести нанотрубки в значительных количествах, включая выброс дуги, лазерное удаление, угарный газ с высоким давлением disproportionation и химическое смещение пара (CVD). Большинство этих процессов имеет место в вакууме или с газами процесса. Рост CVD CNTs может произойти в вакууме или при атмосферном давлении. Большие количества нанотрубок могут быть синтезированы этими методами; достижения в катализе и непрерывный рост делают CNTs более коммерчески жизнеспособным.

Выброс дуги

Нанотрубки наблюдались в 1991 в углеродной саже электродов графита во время выброса дуги, при помощи тока 100 амперов, который был предназначен, чтобы произвести fullerenes. Однако, первое макроскопическое производство углеродных нанотрубок было сделано в 1992 двумя исследователями в Фундаментальной Научно-исследовательской лаборатории NEC. В 1991 используемый метод совпал с. Во время этого процесса углерод, содержавшийся в отрицательном электроде, возвышает из-за температур высокого выброса.

Урожай для этого метода составляет до 30% в развес, и это производит и единственный - и мультиокруженные нанотрубки с длинами до 50 микрометров с немногими структурными дефектами.

Лазерное удаление

В лазерном удалении пульсировавший лазер выпаривает цель графита в высокотемпературном реакторе, в то время как у инертного газа отбирают в палату. Нанотрубки развиваются на более прохладных поверхностях реактора, поскольку выпаренный углерод уплотняет. Охлажденная водой поверхность может быть включена в систему, чтобы собрать нанотрубки.

Этот процесс был развит доктором Ричардом Смалли и коллегами в Университете Райс, которые во время открытия углеродных нанотрубок, взрывали металлы с лазером, чтобы произвести различные металлические молекулы. Когда они слышали о существовании нанотрубок, они заменили металлы графитом, чтобы создать мультиокруженные углеродные нанотрубки. Позже в том году команда использовала соединение графита, и металлические частицы катализатора (лучший урожай был от смеси кобальта и никеля) синтезировать одностенные углеродные нанотрубки.

Лазерный метод удаления приводит приблизительно к 70% и производит прежде всего одностенные углеродные нанотрубки с управляемым диаметром, определенным температурой реакции. Однако это более дорого или, чем выброс дуги или, чем химическое смещение пара.

Плазменный факел

Одностенные углеродные нанотрубки могут также быть синтезированы тепловым плазменным методом. Это было сначала изобретено в 2000 в INRS (Institut National de la Recherche Scientifique в Варене, Канада), Оливье Смиляничем. В этом методе цель состоит в том, чтобы воспроизвести условия, преобладающие в выбросе дуги и лазерных подходах удаления, но содержащий углерод газ используется вместо паров графита, чтобы поставлять углерод, необходимый для производства SWNT. Делая так, рост SWNT более эффективен (разложение углерода, содержащего газ, может быть в 10 раз меньшим количеством потребления энергии, чем испарение графита). Это также непрерывно и происходит в низкой стоимости. Чтобы произвести непрерывный процесс, газовая смесь, составленная из аргона, этилена и ferrocene, введена в микроволновый плазменный факел, где это дробится атмосферной плазмой давления, у которой есть форма интенсивного 'пламени'. Пары, созданные пламенем, как находят, содержат SWNT, металлический и углерод nanoparticles и аморфный углерод.

Другой способ произвести одностенные углеродные нанотрубки с плазменным факелом, должен использовать индукцию тепловой плазменный метод, осуществленный в 2005 группами из университета Шербрука и Национальным исследовательским советом Канады. Метод подобен выбросу дуги в том и использование ионизировало газ, чтобы достигнуть высокой температуры, необходимой, чтобы выпарить содержащие углерод вещества и металлические катализаторы, необходимые для следующего роста нанотрубки. Тепловая плазма вызвана высокой частотой колеблющийся ток в катушке и сохраняется в плавном инертном газе. Как правило, сырье для промышленности сажи и металлических частиц катализатора питается в плазму, и затем охлаждается, чтобы сформировать одностенные углеродные нанотрубки. Могут быть синтезированы различные углеродные распределения диаметра нанотрубки единственной стены.

Тепловой плазменный метод индукции может произвести до 2 граммов материала нанотрубки в минуту, которая выше, чем выброс дуги или лазерные методы удаления.

Химическое смещение пара (CVD)

О

каталитическом смещении фазы пара углерода сообщили в 1952 и 1959, но только в 1993, углеродные нанотрубки были сформированы этим процессом. В 2007 исследователи в университете Цинциннати (UC) развили процесс, чтобы вырастить выровненные углеродные множества нанотрубки длины 18 мм на углеродной системе FirstNano ET3000 роста нанотрубки.

Во время CVD основание подготовлено со слоем металлических частиц катализатора, обычно никель, кобальт, железо или комбинация. Металл nanoparticles может также быть произведен другими путями, включая сокращение твердых растворов окисей или окисей. Диаметры нанотрубок, которые должны быть выращены, связаны с размером металлических частиц. Этим можно управлять шаблонным (или замаскировать), смещение металла, отжиг, или плазменной гравюрой металлического слоя. Основание нагрето приблизительно до 700 °C. Чтобы начать рост нанотрубок, у двух газов отбирают в реактор: газ процесса (такой как аммиак, азот или водород) и содержащий углерод газ (такой как ацетилен, этилен, этанол или метан). Нанотрубки растут на места металлического катализатора; содержащий углерод газ сломан обособленно в поверхности частицы катализатора, и углерод транспортируется к краям частицы, где это формирует нанотрубки. Этот механизм все еще изучается. Частицы катализатора могут остаться в подсказках растущей нанотрубки во время роста или остаться в основе нанотрубки, в зависимости от прилипания между частицей катализатора и основанием. Тепловое каталитическое разложение углеводорода стало активной областью исследования и может быть многообещающим маршрутом для оптового производства CNTs. Делаемый текучим реактор кровати - наиболее широко используемый реактор для подготовки CNT. Расширьтесь реактора, основная проблема.

CVD - наиболее широко используемый метод для производства углеродных нанотрубок. С этой целью металл nanoparticles смешан с поддержкой катализатора, такой как MgO или AlO, чтобы увеличить площадь поверхности для более высокого урожая каталитической реакции углеродного сырья для промышленности с металлическими частицами. Одна проблема в этом маршруте синтеза - удаление поддержки катализатора через кислотное лечение, которое иногда могло разрушать оригинальную структуру углеродных нанотрубок. Однако альтернативные поддержки катализатора, которые разрешимы в воде, оказались эффективными для роста нанотрубки.

Если плазма будет произведена применением сильного электрического поля во время роста (увеличенное плазмой химическое смещение пара), то рост нанотрубки будет следовать за направлением электрического поля. Регулируя геометрию реактора возможно синтезировать вертикально выровненные углеродные нанотрубки (т.е., перпендикуляр к основанию), морфология, которая представляла интерес для исследователей, заинтересованных электронной эмиссией нанотрубок. Без плазмы часто беспорядочно ориентируются получающиеся нанотрубки. При определенных условиях реакции, даже в отсутствие плазмы, близко расположенные нанотрубки поддержат вертикальное направление роста, приводящее к плотному множеству труб, напоминающих ковер или лес.

Из различных средств для синтеза нанотрубки CVD показывает большую часть обещания для смещения промышленных весов из-за его отношения цены/единицы, и потому что CVD способен к растущим нанотрубкам непосредственно на желаемом основании, тогда как нанотрубки должны быть собраны в других методах роста. Места роста управляемы тщательным смещением катализатора. В 2007 команда из университета Meijo продемонстрировала высокую эффективность метод CVD для роста углеродных нанотрубок от камфоры. Исследователи в Университете Райс, до недавнего времени во главе с покойным Ричардом Смалли, сконцентрировались на нахождении, что методы производят большие, чистые суммы особых типов нанотрубок. Их подход растет, длинные волокна от многих маленьких семян сокращаются от единственной нанотрубки; все получающиеся волокна, как находили, были того же самого диаметра как оригинальная нанотрубка и, как ожидают, будут иметь тот же самый тип как оригинальная нанотрубка.

Суперрост CVD

Суперрост CVD (помогшее с водой химическое смещение пара) был развит Kenji Hata, Sumio Iijima и коллегами в AIST, Япония. В этом процессе деятельность и целая жизнь катализатора увеличены добавлением воды в реактор CVD. Плотная высокая миллиметром нанотрубка «леса», выровненные нормальный с основанием, была произведена. Лесная высота могла быть выражена, как

:

В этом уравнении β - начальный темп роста и является характерной целой жизнью катализатора.

Их определенная поверхность превышает (увенчанных) 1 000 м/г или (неудивленных) 2 200 м/г, превосходя стоимость 400-1 000 м/г для образцов HiPco. Эффективность синтеза приблизительно в 100 раз выше, чем для лазерного метода удаления. Время, требуемое сделать леса SWNT высоты 2,5 мм этим методом, составило 10 минут в 2004. Те леса SWNT могут быть легко отделены от катализатора, приведя к чистому материалу SWNT (чистота> 99,98%) без дальнейшей очистки. Для сравнения, как - выращенный HiPco CNTs содержат приблизительно 5-35% металлических примесей; это поэтому очищено через дисперсию и центрифугирование, которое повреждает нанотрубки. Суперрост избегает этой проблемы. Скопированный высоко организовал одностенные структуры нанотрубки, были успешно изготовлены, используя метод суперроста.

Массовая плотность суперроста CNTs составляет приблизительно 0,037 г/см. Это намного ниже, чем тот из обычных порошков CNT (~1.34 г/см), вероятно потому что последние содержат металлы и аморфный углерод.

Метод суперроста - в основном изменение CVD. Поэтому, возможно стать существенным содержащий SWNT, DWNTs и MWNTs, и изменить их отношения, настраивая условия роста. Их отношения изменяются тонкостью катализатора. Много MWNTs включены так, чтобы диаметр трубы был широк.

Вертикально выровненные леса нанотрубки происходят из «проносящегося эффекта», когда они погружены в растворитель и высушены. Проносящийся эффект вызван поверхностным натяжением растворителя и сил Ван-дер-Ваальса между углеродными нанотрубками. Это выравнивает нанотрубки в плотный материал, который может быть сформирован в различных формах, таких как листы и бары, применив слабое сжатие во время процесса. Уплотнение увеличивает твердость Викерса приблизительно к 70 разам, и плотность составляет 0,55 г/см. Упакованные углеродные нанотрубки больше чем 1 мм длиной и имеют углеродную чистоту 99,9% или выше; они также сохраняют желательные свойства выравнивания леса нанотрубок.

Естественная, непредвиденная, и окружающая среда пламени, которой управляют

,

Fullerenes и углеродные нанотрубки - не обязательно продукты высокотехнологичных лабораторий; они обычно формируются в таких приземленных местах как обычный огонь, произведенный горящим метаном, этиленом и бензолом, и они были найдены в саже и от внутреннего и от наружного воздуха. Однако эти естественные варианты могут быть очень нерегулярными в размере и качестве, потому что окружающая среда, в которой они произведены, часто очень безудержная. Таким образом, хотя они могут использоваться в некоторых заявлениях, им может недоставать высокой степени однородности, необходимой, чтобы удовлетворить много потребностей и исследования и промышленности. Недавние усилия сосредоточились на производстве более однородных углеродных нанотрубок в окружающей среде пламени, которой управляют. У таких методов есть обещание для крупномасштабного, недорогостоящего синтеза нанотрубки, основанного на теоретических моделях, хотя они должны конкурировать с быстрым развитием крупномасштабного производства CVD.

Удаление катализаторов

Наноразмерные металлические катализаторы - важные компоненты для фиксированного - и кипящий слой синтез CVD CNTs. Они позволяют увеличивать эффективность роста CNTs и могут дать контроль над своей структурой и хиральностью. Во время синтеза катализаторы могут преобразовать углеродных предшественников в трубчатые углеродные структуры, но могут также сформировать заключающие в капсулу углеродные пальто. Вместе с металлическими поддержками окиси они могут поэтому быть свойственны к или стать объединенными в продукт CNT. Присутствие металлических примесей может быть проблематичным для многих заявлений. Особенно металлы катализатора как никель, кобальт или иттрий могут представить токсикологический интерес. В то время как нескрытые металлы катализатора могут быть с готовностью сменными мытьем кислоты, заключенные в капсулу требуют окислительного лечения для открытия их углеродной раковины. Эффективное удаление катализаторов, особенно скрытых, сохраняя структуру CNT является проблемой и было обращено во многих исследованиях. Новый подход, чтобы сломать carbonaceaous герметизацию катализатора основан на быстром тепловом отжиге.

Связанные с применением проблемы

Много электронных применений углеродных нанотрубок кардинально полагаются на методы отборного производства или полупроводниковый или металлический CNTs, предпочтительно определенной хиральности. Несколько методов отделения полупроводникового и металлического CNTs известны, но большинство из них еще не подходит для крупномасштабных технологических процессов. Наиболее эффективный метод полагается на ультрацентрифугирование градиента плотности, которое отделяет обернутые в сурфактант нанотрубки мелким различием в их плотности. Это различие в плотности часто переводит на различие в диаметре нанотрубки и (полу) свойствах проведения. Другой метод разделения использует последовательность замораживания, размораживания и сжатия SWNTs, включенного в гель агарозы. Этот процесс приводит к решению, содержащему 70%-й металлический SWNTs и листья гель, содержащий 95%-й полупроводниковый SWNTs. Разбавленные решения, отделенные этим методом, показывают различные цвета. Отделенные углеродные нанотрубки, используя этот метод были применены к электродам, например, электрическому конденсатору двойного слоя. Кроме того, SWNTs может быть отделен хроматографическим методом колонки. Урожай составляет 95% в типе полупроводника SWNT и 90% в металлическом типе SWNT.

В дополнение к разделению полупроводникового и металлического SWNTs это возможно к виду SWNTs длиной, диаметром и хиральностью. Самая высокая сортировка длины резолюции, с изменением длины разделения диаметра SWNT была достигнута использованием ультрацентрифугирования градиента плотности (DGU) рассеянный по сурфактанту SWNTs и хроматографией ионного обмена (IEC) для ДНК-SWNT. Очистка отдельных хиральностей была также продемонстрирована с IEC ДНК-SWNT: определенная короткая ДНК oligomers может использоваться, чтобы изолировать отдельные хиральности SWNT. К настоящему времени 12 хиральностей были изолированы в чистоте в пределах от 70% для (8,3) и (9,5) SWNTs к 90% для (6,5), (7,5) и (10,5) SWNTs. Были успешные усилия объединить эти очищенные нанотрубки в устройства, e. g. FET.

Альтернатива разделению - развитие отборного роста полупроводникового или металлического CNTs. Недавно, о новом рецепте CVD, который включает комбинацию этанола и газов метанола и кварцевых оснований, приводящих к горизонтально выровненным множествам полупроводниковых нанотрубок на 95-98%, объявили.

Нанотрубки обычно выращиваются на nanoparticles магнитного металла (Fe, Co), которая облегчает производство электронных (spintronic) устройств. В частности контроль тока через транзистор полевого эффекта магнитным полем был продемонстрирован в такой единственной трубе nanostructure.

Текущие заявления

Текущее использование и применение нанотрубок были главным образом ограничены использованием оптовых нанотрубок, которое является массой скорее неорганизованных фрагментов нанотрубок. Оптовые материалы нанотрубки никогда могут не достигать предела прочности, подобного той из отдельных труб, но такие соединения могут, тем не менее, привести к преимуществам, достаточным для многих заявлений. Оптовые углеродные нанотрубки уже использовались в качестве сложных волокон в полимерах, чтобы улучшить механические, тепловые и электрические свойства оптового продукта.

  • Easton-Bell Sports, Inc. была в сотрудничестве с Исполнительными Материалами Zyvex, используя технологию CNT во многих их велосипедных компонентах — включая квартиру и рули надстрочного элемента, заводные рукоятки, вилки, seatposts, основы и аэро бруски.
  • Zyvex Technologies также построила 54' морских судна, Пиранья Беспилотное Поверхностное Судно, как технологический демонстрант для того, что является возможным использованием технология CNT. CNTs помогают улучшить структурное исполнение судна, приводящего к легкой 8 000-фунтовой лодке, которая может нести полезный груз на борту 15 000 фунтов по диапазону 2 500 миль.
  • Европейский Внук Amroy производит углерод Hybtonite nanoepoxy смолы, где углеродные нанотрубки были химически активированы, чтобы сцепиться с эпоксидной смолой, приводящей к композиционному материалу, который составляет 20% к на 30% более сильному, чем другие композиционные материалы. Это использовалось для ветряных двигателей, морских красок и разнообразия спортивного механизма, таких как лыжи, палки хоккея с шайбой, бейсбольные биты, охотничьи стрелы и доски для серфинга.

Другие текущие заявления включают:

  • советы для атомного микроскопа силы исследуют
  • в разработке ткани углеродные нанотрубки могут действовать как леса для роста кости

Есть также продолжающееся исследование в использовании углеродных нанотрубок как леса для разнообразных методов микрофальсификации.

Возможное применение

Сила и гибкость углеродных нанотрубок делают их из потенциального использования в управлении другими наноразмерными структурами, который предполагает, что у них будет важная роль в разработке нанотехнологий. Самый высокий предел прочности мультиокруженной углеродной нанотрубки человека был проверен, чтобы быть 63 Гпа. Углеродные нанотрубки были найдены в Дамасской стали с 17-го века, возможно помогая составлять легендарную силу мечей, сделанных из него. Недавно, несколько исследований выдвинули на первый план перспективу использования углеродных нанотрубок как стандартные блоки, чтобы изготовить трехмерный макроскопический (> 1 мм во всех трех измерениях) все-углеродные устройства. Lalwani и др. сообщили о новом радикальном инициированном тепловом crosslinking методе изготовленному, макроскопическому, автономному, пористому, все-углеродные леса, использующие единственный - и мультиобнесли стеной углеродные нанотрубки как стандартные блоки. Эти леса обладают макро - микро - и нано - структурированные поры и пористость могут быть скроены для определенных заявлений. Эти 3D все-углеродные леса/архитектура, возможно используемые для фальсификации следующего поколения аккумулирования энергии, суперконденсаторов, полевых транзисторов эмиссии, высокоэффективного катализа, гелиотехники, и биомедицинских устройств и внедрений.

Биомедицинский

Исследователи из Университета Райс и государственного университета Нью-Йорка - Каменный Ручей показал, что дополнение низкого % веса углеродных нанотрубок может привести к существенным улучшениям в механических свойствах разлагаемого микроорганизмами полимерного nanocomposites для применений в разработке костной ткани. Дисперсия низкого % веса графена (~0.02% веса) приводит к значительным увеличениям сжимающих и изгибных механических свойств полимерного nanocomposites. Исследователи в Университете Райс, университете Radboud Неймеген Медицинский Центр и Калифорнийский университет, Риверсайд показал, что углеродные нанотрубки и их полимер nanocomposites являются подходящими материалами лесов для быстрого увеличения костной клетки и формирования кости.

В ноябре 2012 исследователи в американском Национальном институте стандартов и технологий (NIST) доказали, что углеродные нанотрубки единственной стены могут помочь защитить Молекулы ДНК от повреждения окислением.

Очень эффективный метод поставляющих углеродных нанотрубок в клетки - сжатие Клетки, высокая пропускная способность микрожидкая платформа без векторов для внутриклеточной доставки, развитой в Массачусетском технологическом институте в лабораториях Роберта С. Лангера.

Углеродные нанотрубки были, кроме того, выращены в микрожидких каналах для химического анализа, основанного на electrochromatography. Здесь, высокая поверхностная область к отношению объема и высокая гидрофобность CNTs используются, чтобы значительно уменьшить аналитическое время маленьких нейтральных молекул, которые, как правило, требуют большого большого оборудования для анализа.

Структурный

Из-за превосходящих механических свойств нанотрубки углерода много структур были предложены в пределах от повседневных пунктов как одежда и спортивный механизм, чтобы сражаться с жакетами и космическими лифтами. Однако космический лифт потребует дальнейших усилий в очистке углеродной технологии нанотрубки, поскольку практический предел прочности углеродных нанотрубок должен быть значительно улучшен.

Для перспективы были уже добиты выдающиеся прогрессы. Новаторская работа во главе с Рэем Х. Богменом в Институте NanoTech показала, что единственные и мультиокруженные стеной нанотрубки могут произвести материалы с крутизной, непревзойденной в искусственных и естественных мирах.

Углеродные нанотрубки - также многообещающий материал как стандартные блоки в биоподражательных иерархических композиционных материалах, данных их исключительные механические свойства (~1 TPa в модуле и ~100 Гпа в силе). Начальная буква пытается соединиться, CNTs в иерархические структуры привел к механическим свойствам, которые были значительно ниже, чем эти достижимые пределы. Windle и др. использовали метод вращения химического смещения пара (CVD) на месте, чтобы произвести непрерывную пряжу CNT из CVD-выращенных аэрогелей CNT. С этой технологией они изготовили пряжу CNT с преимуществами целых ~9 Гпа в маленьких длинах датчика ~1 мм, однако, дефекты привели к сокращению определенной силы к ~1 Гпа в 20-миллиметровой длине датчика. Espinosa и др. развил высокоэффективную пряжу соединения DWNT-полимера, крутя и протягивая ленты беспорядочно ориентированных связок DWNTs, тонко покрытых полимерными органическими соединениями. Эта пряжа DWNT-полимера показала необычно высокую энергию к неудаче ~100 Дж · g (сопоставимый с одним из самых жестких естественных материалов – шелк паука), и сила целых ~1.4 Гпа. Усилие продолжающееся, чтобы произвести соединения CNT, которые включают более жесткие матричные материалы, такие как кевлар, чтобы далее изменить к лучшему механические свойства к тем из отдельного CNTs.

Из-за высокой механической силы углеродных нанотрубок исследование превращается в переплетение их в одежду, чтобы создать защищенную от удара и пуленепробиваемую одежду. Нанотрубки эффективно мешали бы пуле проникнуть через тело, хотя кинетическая энергия пули, вероятно, вызовет сломанные кости и внутреннее кровотечение.

Электрические схемы

Основанные на нанотрубке транзисторы, также известные как углеродные транзисторы полевого эффекта нанотрубки (CNTFETs), были сделаны, которые работают при комнатной температуре и которые способны к цифровому переключению, используя единственный электрон. Однако одно главное препятствие реализации нанотрубок было отсутствием технологии для массового производства. В 2001 исследователи IBM продемонстрировали, как металлические нанотрубки могут быть разрушены, оставив полупроводниковые для использования в качестве транзисторов. Их процесс называют «конструктивным разрушением», которое включает автоматическое разрушение дефектных нанотрубок на вафле. Этот процесс, однако, только дает контроль над электрическими свойствами в статистическом масштабе.

Потенциал углеродных нанотрубок был продемонстрирован в 2003, когда о комнатной температуре баллистические транзисторы с омическими металлическими контактами и высоким-k диэлектриком ворот сообщили, показав 20–30x выше НА току, чем современное состояние МОП-транзисторы Сайа. Это представило важный прогресс в области, поскольку CNT, как показывали, потенциально выиграл у Сайа. В то время, основная проблема была омическим металлическим формированием контакта. В этом отношении палладий, который является металлом функции высокой работы, как показывали, показал Шоттки контакты без барьеров к полупроводниковым нанотрубкам с диаметрами> 1,7 нм.

Первая нанотрубка объединялась, схема памяти была сделана в 2004. Одна из главных проблем регулировала проводимость нанотрубок. В зависимости от тонких особенностей поверхности нанотрубка может действовать как простой проводник или как полупроводник. Полностью автоматизированный метод был, однако, развит, чтобы демонтировать трубы неполупроводника.

Другой способ сделать углеродные транзисторы нанотрубки состоял в том, чтобы использовать случайные сети их. Делая так средние числа все их электрические различия и можно произвести устройства в крупном масштабе на уровне вафли. Этот подход был сначала запатентован Nanomix Inc. (дата исходного прикладного июня 2002). Это было сначала издано в академической литературе Военно-морской Научно-исследовательской лабораторией Соединенных Штатов в 2003 посредством независимой исследовательской работы. Этот подход также позволил Nanomix сделать первый транзистор на гибком и прозрачном основании.

Большие структуры углеродных нанотрубок могут использоваться для теплового управления электронными схемами. Приблизительно 1 mm–thick углеродный слой нанотрубки использовался в качестве специального материала, чтобы изготовить кулеры, у этого материала есть очень низкая плотность, в ~20 раз более низкий вес, чем подобная медная структура, в то время как охлаждающиеся свойства подобны для этих двух материалов.

В 2013 исследователи продемонстрировали Turing-полный компьютер масштаба микрометра прототипа. Углеродные транзисторы нанотрубки как схемы логических ворот с удельными весами, сопоставимыми с современной технологией CMOS, еще не были продемонстрированы.

Электрические кабели и провода

Провода для переноса электрического тока могут быть изготовлены от чистых нанотрубок и соединений полимера нанотрубки. Было уже продемонстрировано, что углеродные провода нанотрубки могут успешно использоваться для власти или передачи данных. Недавно маленькие провода были изготовлены с определенной проводимостью чрезмерная медь и алюминий; эти кабели - самая высокая углеродная нанотрубка проводимости и также самые высокие кабели неметалла проводимости.

Недавно, соединение углеродной нанотрубки и меди, как показывали, показало почти в сто раз более высокую текущую пропускную способность, чем чистая медь или золото. Значительно, электрическая проводимость такого соединения подобна чистой меди. Таким образом эта Углеродная медь нанотрубки (CNT-медь) соединение обладает самой высокой наблюдаемой находящейся под напряжением мощностью среди электрических проводников. Таким образом для данного поперечного сечения электрического проводника, соединение CNT-меди может противостоять и транспортировать в сто раз более высокий ток по сравнению с металлами, такими как медь и золото.

Приводы головок

Исключительные электрические и механические свойства углеродных нанотрубок сделали их альтернативами традиционным электрическим приводам головок и для микроскопических и для макроскопических заявлений. Углеродные нанотрубки - очень хорошие проводники и электричества и высокой температуры, и они - также очень сильные и упругие молекулы в определенных направлениях.

Бумажные батареи

Бумажная батарея - батарея, спроектированная, чтобы использовать тонкий как бумага лист целлюлозы (который является главным элементом регулярной бумаги, среди прочего), приданный с выровненными углеродными нанотрубками. Нанотрубки действуют как электроды; разрешение устройств хранения данных провести электричество. Батарея, которая функционирует и как литий-ионный аккумулятор и как суперконденсатор, может обеспечить длинную, устойчивую выходную мощность, сопоставимую с обычной батареей, а также быстрым взрывом суперконденсатора большой мощности — и в то время как обычная батарея содержит много отдельных компонентов, бумажная батарея объединяет все компоненты батареи в единственной структуре, делая его более энергосберегающим.

Солнечные батареи

Одно из многообещающих применений одностенных углеродных нанотрубок (SWNTs) является их использованием в солнечных батареях, из-за их сильных поглотительных особенностей UV/Vis-NIR. Исследование показало, что они могут обеспечить значительное увеличение эффективности, даже в их токе неоптимизированное государство. Солнечные батареи, развитые в Технологическом институте Нью-Джерси, используют углеродный комплекс нанотрубки, сформированный смесью углеродных нанотрубок и углеродных бакиболов (известный как fullerenes), чтобы сформировать подобные змее структуры. Бакиболы заманивают электроны в ловушку, но они не могут заставить электроны течь. Добавьте солнечный свет, чтобы взволновать полимеры, и бакиболы захватят электроны. Нанотрубки, ведя себя как медные провода, тогда будут в состоянии сделать электроны или электрический ток.

Дополнительное исследование было проведено при создании гибридных солнечных батарей SWNT, чтобы увеличить эффективность далее. Эти гибриды созданы, объединив SWNT's с фотолегковозбудимыми электронными дарителями, чтобы увеличить число произведенных электронов. Было найдено, что взаимодействие между фотовзволнованным порфирином и SWNT производит пары электро-отверстия в поверхностях SWNT. Это явление наблюдалось экспериментально и вносит практически в увеличение эффективности до 8,5%.

Водородное хранение

В дополнение к способности сохранить электроэнергию, было некоторое исследование в использовании углеродных нанотрубок, чтобы сохранить водо

Как склеить нанотрубки | Наука и жизнь

Соединяя углеродные нанотрубки друг с другом с помощью алмазной наковальни, мы сохраняем их уникальные свойства.

«Нанести тонким слоем, выдержать определённое время, а затем сильно прижать друг к другу» – примерно такие слова содержаться в инструкции к самому обычному клею. Ещё, как правило, там присутствует замечание, что неважно, как долго вы будете сжимать склеиваемые детали – решающее значение всё равно имеет сила сжатия, а вовсе не время. А как быть, если вам, к примеру, потребовалось «склеить» несколько углеродных нанотрубок? Хотя вначале стоит стоит ответить на вопрос, для чего это, собственно говоря, вообще нужно.

Схематическое изображение наноцилиндра, получающегося при сворачивании листа из атомов углерода. (Фото: Geoff Hutchison/flickr.com)

Схема эксперимента по сшиванию многостенных углеродных нанотрубок. (Источник: mipt.ru)

Изображение структуры многостенной углеродной нанотрубки. (Eric Wieser, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons)

Углеродная нанотрубка представляет собой свёрнутый в цилиндр лист из атомов углерода. Диаметр такого цилиндра обычно составляет несколько нанометров, а вот длина может быть очень и очень большой, вплоть до нескольких сантиметров. Однако, помимо чисто структурных особенностей, нанотрубки примечательны разными интересными свойствами: они крайне прочные, хорошо проводят электрический ток и тепло, могут работать полупроводниками, внутрь них можно помещать отдельные атомы и даже целые молекулы. Поначалу, когда нанотрубки впервые создали в конце 90-х годов прошлого века, каких только удивительных применений им не пророчили. Но спустя какое-то время «нанотрубная» эйфория немного поутихла, столкнувшись с рядом проблем, скажем, как перенести уникальные свойства отдельных нанотрубок с микро- на макро-уровень?

Для того, чтобы можно было делать их в осязаемых количествах, было разработано немало способов «коллективизации» углеродных нанотрубок: например, их свивали друг с другом, сваривали при высоких температурах или заключали внутри полимерных матриц. А совсем недавно исследователи из четырёх московских институтов предложили ещё один интересный способ заставить нанотрубки работать как одно целое. Помните про «сильно прижать друг к другу»? Примерно таким способом можно склеить вместе и нанотрубки, однако здесь есть несколько нюансов.

Во-первых, при подобной склейке возникают ковалентные связи между атомами соседних наночастиц, что хорошо в плане физической склейки двух трубок, но плохо в плане сохранения их свойств, поскольку ковалентные связи разрушают поверхность и нанотрубка теряет свои уникальные свойства. Во-вторых, «сильно прижать» – значит, создать давление порядка 50 Гпа (примерно 500 000 атм.), что само по себе составляет отдельную трудность.

Успешно разрешить эти проблемы удалось группе исследователей из четырёх московских институтов: ТИСНУМ, МФТИ, МГУ и МИСиС. Чтобы склеить нанотрубки, их поместили в специальную сдвиговую камеру с алмазными наковальнями. Принцип работы камеры состоит в следующем: между двумя алмазами помещается исследуемый материал, который затем сжимается под действием внешнего давления. Однако это не единственная возможность прибора – он ещё может деформировать объект за счёт вращения наковален, фактически «сжать и протереть». Как оказалось, сжатие и сдвиг по-разному влияют на структуру нанотрубок. Давление сжимает трубки и сложным образом меняет геометрию их стенок, а сдвиговое напряжение переводит атомы углерода в новое состояние (из sp2- в sp3-гибридизацию), в результате чего они склеиваются с такими же атомами соседней трубки.

А вот чтобы сохранить при склеивании свойства наночастиц, исследователи пошли на хитрость. Дело в том, что существуют такие нанотрубки, которые устроены по принципу матрёшки: внутри большой нанотрубки находится трубка поменьше, в которую вложена другая, ещё поменьше, и т. д., и т. д. – в итоге у нас получаются так называемые многостенные углеродные нанотрубки. Эксперименты показали, что если в алмазную наковальню помещать такие многостенные трубки, то при их сжатии «склеивается» только внешний слой, а внутренние после снятия давления восстанавливают свою форму, тем самым сохраняя свои свойства.

У многостенных нанотрубок есть ещё одна приятная особенность – они дешевле в производстве по сравнению с одностенными, несмотря на, казалось бы, более сложную структуру. По словам исследователей, созданный ими материал может стать полезным в тех областях, где критически важна прочность объекта в жёстких окружающих условиях, например, в аэрокосмической отрасли.

Полностью результаты исследований опубликованы в Applied Physics Letters.

нанотрубка — Викисловарь

Морфологические и синтаксические свойства[править]

падеж ед.  ч. мн. ч.
Им. нанотру́бка нанотру́бки
Р. нанотру́бки нанотру́бок
Д. нанотру́бке нанотру́бкам
В. нанотру́бку нанотру́бки
Тв. нанотру́бкой
нанотру́бкою
нанотру́бками
Пр. нанотру́бке нанотру́бках

на-но-тру́б-ка

Существительное, неодушевлённое, женский род, 1-е склонение (тип склонения 3*a по классификации А. А. Зализняка).

Префиксоид: нано-; корень: -труб-; суффикс: ; окончание: .

Произношение[править]

Семантические свойства[править]

Значение[править]
  1. спец. наноразмерная протяжённая структура цилиндрической формы ◆ Отсутствует пример употребления (см. рекомендации).
Синонимы[править]
Антонимы[править]
Гиперонимы[править]
  1. трубка, структура, объект
Гипонимы[править]

Родственные слова[править]

Ближайшее родство
  • уменьш.-ласк. формы: трубка, трубочка
  • пр. существительные: патрубок, раструб, труба, трубач, трубопровод, трубочист
  • прилагательные: трубный, трубочный, трубчатый
  • глаголы: затрубить, оттрубить, трубить

Этимология[править]

Конфиксное производное от существительного труба, далее от общеслав. формы trǫba, ср: др.-русск. труба, ст.-слав. трѫба (греч. σάλπιγξ), русск., укр. труба́, болг. тръба́, сербохорв. тру́ба, словенск. trȯ́ba, чешск. trouba (с ХIV в.), словацк. trúba, польск. trąba, в.-луж. truba, н.-луж. tšuba. Заимств. из др.-в.-нем. trumbа «духовая труба» или из ср.-лат. trumbа — то же, ср.: ит. tromba — то же. Использованы данные словаря М. Фасмера. См. Список литературы.

Фразеологизмы и устойчивые сочетания[править]

Перевод[править]

Список переводов

Библиография[править]

  • Новые слова и значения. Словарь-справочник по материалам прессы и литературы 90-х годов XX века. — СПб. : Дмитрий Буланин, 2014. — ISBN 978-5-86007-637-2.

Что такое нанотрубки - свойства, определение, история и структура

Каковы свойства нанотрубок ? Вы ищете ответ на этот вопрос? Хотите узнать больше, чем просто определения?

Если вас интересуют нанотехнологии и вы хотите узнать больше об этих конкретных нанопродуктах, продолжайте читать.

Эта статья представляет собой комплексный обзор, основная цель которого - предоставить вам все важные факты и информацию о свойствах нанотрубок, а также максимально четко определить их структуру.

Также будут обсуждаться их возможные применения, основанные на их удивительных физических и химических свойствах.

Более того, вы узнаете увлекательные подробности истории открытия нанотрубок, которые открыли целую новую область исследований.

«Исследования могут проводиться в любой среде, если вы заинтересованы. Я считаю, что настоящее образование означает развитие способности интересоваться чем-то ».

Sumio Iijima

Что такое нанотрубки - свойства, привлекшие внимание ученых всего мира

Прежде чем мы перейдем к сути, мы должны начать с самого начала.Возможно, вы слышали о весьма неожиданном открытии бакминстерфуллерена в 1985 году. Благодаря стечению обстоятельств ученые, которые первоначально исследовали что-то еще, обнаружили молекулу, состоящую исключительно из углерода. В то время химики думали, что больше нечего узнать об этом элементе.

Фактически, это открытие бакиболов было абсолютным прорывом. С этого момента химический, физический и материальный миры никогда не будут прежними.

Это было в 80-х годах, и вы должны знать, что нанотрубки (также известные как бакитрубки) на самом деле были открыты примерно 30 лет назад, но, к сожалению, в то время они не были полностью оценены.

Давайте внимательнее рассмотрим серию событий, которые в конечном итоге привели к открытию нанотрубок.

Краткая история углеродных нанотрубок до момента их открытия

  • 1950-е годы - Существуют три основных события, которые указали на открытие нанотрубок. Первый случился уже в 1952 году. Радушкевич и Лукьянович опубликовали статью, в которой были показаны полые графитовые углеродные волокна диаметром 50 нм (Советский журнал физической химии).В 1955 году трио ученых Хофер, Стерлинг и Маккартни наблюдали рост трубчатых углеродных волокон диаметром от 10 до 200 нм. В 1958 году Хиллер и Ланге провели разложение н-гептана на железе при 1000 ° C, а также наблюдали рост наноразмерных трубчатых углеродных волокон.
  • 1960-е годы - Роджер Бэкон из Union Carbide изучал углерод в условиях, близких к его тройной точке. При этом он обнаружил неизвестное до того времени углеродное волокно. Фактически, он наблюдал прямые полые углеродные трубки.Эти трубки, казалось, состояли из графитовых слоев углерода. Что было еще более интересно, эти слои были разделены на такое же расстояние, как и плоские листы графита
  • 1970-е годы - именно в 1976 году Моринобу Эндо снова наблюдал эти трубки. На этот раз они были произведены газофазным способом (химическое осаждение из газовой фазы). Он даже мог распознать, что некоторые из этих трубок состояли только из одного слоя свернутого графита
  • 1985 - Фуллерены были открыты Ричардом Смолли, Гарри Крото и Робертом Керлом-младшим.в Университете Райса в Техасе. Как уже упоминалось ранее, это был крупный прорыв, который заложил основу для новой эры нанотехнологической науки и значительно расширил исследования в этой области.
  • 1991 - Сумио Иидзима, японский исследователь NEC, обнаружил многостенные нанотрубки. Они образовывались в угольном дуговом разряде. Это правда, что они наблюдались до экспериментов Иидзимы; однако он мог предоставить убедительные доказательства их существования. Он не только смог их сфотографировать, но и четко объяснил, что они из себя представляют.Поэтому ему приписывают открытие, и его часто называют «изобретателем» углеродных нанотрубок. Он определенно выдающаяся фигура, заслуживающая признания на данном этапе.

Кто такой Сумио Иидзима?

Он родился 2 мая 1939 года в префектуре Сайтама в Японии. Он получил степень бакалавра технических наук в 1963 году в Университете электросвязи в Токио. В 1968 году получил докторскую степень. по физике твердого тела в Университете Тохоку в Сендае.

Он сконцентрировался на исследованиях кристаллических материалов и электронной микроскопии высокого разрешения в Университете штата Аризона (1970 - 1982).

С 1982 по 1987 год он работал в Японской научно-исследовательской корпорации, где изучал сверхмелкозернистые частицы. После этого он присоединился к NEC. Он до сих пор там работает.

Его работа и исследования оказали огромное влияние на область материаловедения, наноразмерной науки и электроники.

В 2002 году его усилия были отмечены, и он был награжден медалью Бенджамина Франклина по физике за открытие одностенных и многостенных углеродных нанотрубок и объяснение их структуры и спирального характера.

Его работа вдохновила весь мир. Благодаря его экспериментам и открытиям стало ясно, что эти наноматериалы обладают огромным потенциалом. Они очень маленькие, но очень прочные и демонстрируют удивительную электропроводность. Эти открытия послужили поводом для многочисленных исследований, целью которых является изучение их необычных свойств, предлагающих множество возможных применений.

Что такое углеродные нанотрубки?

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой группу наноматериалов, которые образованы двумерной гексагональной решеткой атомов углерода.Эти атомы изогнуты и соединены в одном направлении. Другими словами, если вы посмотрите на них, вы увидите полую цилиндрическую структуру из атомов углерода. В этой структуре

Устройство из углеродных нанотрубок направляет тепло в свет

Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает полости субмикронного масштаба, сформированные в виде пленок из ориентированных углеродных нанотрубок, разработанных в Университете Райса. Полости улавливают тепловые фотоны и сужают их полосу пропускания, превращая их в свет, который затем может быть переработан в электричество.Предоставлено: Naik Lab / Университет Райса.

Все более скромная углеродная нанотрубка может быть просто устройством, позволяющим сделать солнечные панели - и все остальное, что теряет энергию из-за тепла - намного более эффективными.

Ученые из Университета Райса разрабатывают массивы выровненных одностенных углеродных нанотрубок для отвода среднего инфракрасного излучения (также известного как тепло) и значительного повышения эффективности систем солнечной энергии.

Гурурадж Найк и Дзюнъитиро Коно из инженерной школы Райса представили свою технологию в ACS Photonics .

Их изобретение - это гиперболический тепловой излучатель, который может поглощать сильное тепло, которое в противном случае выбрасывалось бы в атмосферу, сжимать его в узкую полосу пропускания и излучать в виде света, который можно превратить в электричество.

Это открытие основано на другом открытии, сделанном группой Коно в 2016 году, когда она нашла простой метод создания высоко ориентированных пленок размером с пластину из плотно упакованных нанотрубок.

Обсуждения с Найком, который присоединился к Райс в 2016 году, заставили пару посмотреть, можно ли использовать пленки для направления «тепловых фотонов».

«Тепловые фотоны - это просто фотоны, испускаемые горячим телом», - сказал Коно. «Если вы посмотрите на что-то горячее в инфракрасную камеру, вы увидите, что оно светится. Камера улавливает эти термически возбужденные фотоны».

Инфракрасное излучение - это компонент солнечного света, который доставляет тепло на планету, но это лишь небольшая часть электромагнитного спектра.«Любая горячая поверхность излучает свет в виде теплового излучения», - сказал Наик. "Проблема в том, что тепловое излучение является широкополосным, тогда как преобразование света в электричество эффективно только в том случае, если излучение находится в узком диапазоне.

Аспирант Университета Райса Синьвэй Ли (слева) и доктор-исследователь Вэйлу Гао использовали пленки из углеродных нанотрубок, которые помог разработать Гао, для создания устройства для утилизации отработанного тепла. В конечном итоге это могло бы повысить производительность солнечных элементов и повысить эффективность утилизации промышленных отходов.Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса.

«Задача заключалась в том, чтобы сжать широкополосные фотоны в узкую полосу», - сказал он.

Пленки из нанотрубок дали возможность изолировать фотоны среднего инфракрасного диапазона, которые в противном случае были бы потрачены впустую. «Это мотивация», - сказал Наик. «Исследование, проведенное (соавтором и аспирантом Райс) Хлоей Дойрон, показало, что около 20% нашего промышленного потребления энергии приходится на отработанное тепло. Это около трех лет электричества только в штате Техас.Это впустую тратит много энергии.

«Самый эффективный способ превратить тепло в электричество сейчас - это использовать турбины и пар или другую жидкость для их привода», - сказал он. «Они могут дать вам почти 50% эффективности преобразования. Ничто другое не приближает нас к этому, но эти системы нелегко реализовать». Наик и его коллеги стремятся упростить задачу с помощью компактной системы, не имеющей движущихся частей.

Выровненные пленки нанотрубок представляют собой каналы, которые поглощают отходящее тепло и превращают его в фотоны с узкой полосой пропускания.Поскольку электроны в нанотрубках могут перемещаться только в одном направлении, ориентированные пленки являются металлическими в этом направлении, а изолируют в перпендикулярном направлении - эффект, который Найк назвал гиперболической дисперсией. Тепловые фотоны могут ударить по пленке с любого направления, но могут уйти только через одну.

«Вместо того, чтобы переходить от тепла напрямую к электричеству, мы переходим от тепла к свету и электричеству», - сказал Наик. «Кажется, что две ступени эффективнее трех, но здесь это не так.«

Моделирование Университета Райса показывает массив полостей, сформированных в виде пленки из ориентированных углеродных нанотрубок. При оптимизации пленка поглощает тепловые фотоны и излучает свет в узкой полосе пропускания, который может быть переработан в электричество. Предоставлено: Хлоя Дуарон / Университет Райса.

Наик сказал, что добавление эмиттеров к стандартным солнечным элементам может повысить их эффективность с пикового значения тока примерно на 22%. «Сжимая всю потерянную тепловую энергию в небольшой спектральной области, мы можем очень эффективно превратить ее в электричество», - сказал он.«Теоретический прогноз состоит в том, что мы можем получить эффективность 80%».

Пленки из нанотрубок

подходят для этой задачи, поскольку они выдерживают температуры до 1700 градусов по Цельсию (3092 градуса по Фаренгейту). Команда Naik создала испытательные устройства, которые позволили им работать при температуре до 700 C (1292 F) и подтвердили их узкополосный выход. Чтобы сделать их, команда смоделировала массивы субмикронных полостей в пленки размером с чип.

«Существует множество таких резонаторов, и каждый из них излучает тепловые фотоны только в этом узком спектральном окне», - сказал Найк.«Мы стремимся собрать их с помощью фотоэлементов и преобразовать их в энергию, и показать, что мы можем делать это с высокой эффективностью».


Инженеры разрабатывают чип, преобразующий потраченное тепло в полезную энергию
Дополнительная информация: Вейлу Гао и др., Макроскопически выровненные углеродные нанотрубки как огнеупорная платформа для гиперболических тепловых излучателей, ACS Photonics (2019).DOI: 10.1021 / acsphotonics.9b00452 Предоставлено Университет Райса

Ссылка : Устройство из углеродных нанотрубок направляет тепло в свет (2019, 12 июля) получено 26 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-07-carbon-nanotube-device-channels.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Использование углеродных нанотрубок для производства электроэнергии

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили новое явление - углеродные нанотрубки.Они обнаружили, что углеродные нанотрубки при определенных обстоятельствах излучают мощные электрические волны. Команда MIT назвала это волнами термоЭДС. Они возлагают надежды на волны термоЭДС для производства электричества, которое будет использоваться в небольших электрических приборах или, возможно, в крупномасштабных приложениях. Этот проект финансировался Управлением научных исследований ВВС США и Национальным научным фондом США (NSF).


Этот разряд электричества из углеродных нанотрубок - очень редкое явление.Традиционно мы получаем электричество из воды, солнца, ветра, угля или тепла, получаемого при сжигании ископаемого топлива. Волна термоЭДС «открывает новую область исследований в области энергетики, что встречается редко», - сказал Майкл Страноу, доцент кафедры химической инженерии Чарльз и Хильда Родди из Массачусетского технологического института. Его работа опубликована в научном журнале Nature Materials.

Углеродные нанотрубки представляют собой субмикроскопические структуры. Их диаметр составляет миллиардные доли метра. Углеродные нанотрубки напоминают соты. Последние двадцать лет ученые сосредотачивают свои усилия на углеродных нанотрубках, графеновых листах и ​​мячиках.Они считают эти три наиболее перспективными для исследований в области чистой и зеленой энергии. Эти три вещества могут быть ценными для медицины, нанотехнологий, геоинженерии, биологии и электронной промышленности.

Исследователи, связанные с этим проектом, считают это явление весьма необычным. Они заметили, что когда движущиеся импульсы тепла проходят через углеродные трубки, электроны также перемещаются. Это движение электронов отвечает за генерацию электрического тока. Страно говорит: «Здесь происходит кое-что еще.Мы называем это захватом электронов, поскольку часть тока, кажется, масштабируется со скоростью волны ».

Исследователи покрыли углеродные нанотрубки слоем реактивного топлива, которое может выделять тепло при разложении. Затем это топливо воспламенялось лазерным лучом или высоковольтной искрой на одном конце нанотрубки. Это возгорание привело к появлению быстро движущихся тепловых волн. Когда эта тепловая волна входит в углеродную нанотрубку, ее скорость увеличивается в тысячу раз, чем скорость самого топлива. Когда тепловые волны контактируют с термическим покрытием, они создают температуру 3000 кельвинов.Это тепловое кольцо распространяется по длине трубки в 10 000 раз быстрее, чем нормальное распространение этой химической реакции. Необычным явлением является то, что электроны также перемещаются с теплом внутри трубки. Страно говорит, что подобные события «математически изучались более 100 лет», но он был первым, кто предположил, что такие волны могут направляться нанотрубкой или нанопроволокой и что эта волна тепла может протолкнуть электрический ток по всей длине этого провода. .

Страна объясняет: «Здесь происходит кое-что еще.Мы называем это захватом электронов, поскольку часть тока, кажется, масштабируется со скоростью волны ». Он подтверждает, что тепловые волны ведут себя как океанские волны. Мы заметили, что когда океанские волны распространяются, они несут мусор на своей поверхности. Страно считает, что это свойство отвечает за высокую выходную мощность системы. Странано предлагает возможное использование этого открытия. Он говорит, что одним из возможных вариантов использования может быть создание новых видов сверхмалых электронных устройств с датчиками или лечебными устройствами, которые можно вводить в тело.

Рэй Боуман, директор Института нанотехнологий Техасского университета в Далласе, делится своими взглядами на весь проект, что он «начался с оригинальной первоначальной идеи, которая некоторым может показаться сумасшедшей, и дал захватывающие экспериментальные результаты, открытие новых явления, глубокое теоретическое понимание и перспективы применения ».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *