Что такое углеродные нанотрубки. Какова их структура и основные свойства. Как получают углеродные нанотрубки. Где применяются углеродные нанотрубки в современных технологиях. Каковы перспективы использования нанотрубок в будущем.
Что представляют собой углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки (УНТ) — это цилиндрические структуры, состоящие из свернутых в трубку графеновых плоскостей. Их диаметр составляет от нескольких до десятков нанометров, а длина может достигать нескольких сантиметров. По своей структуре УНТ занимают промежуточное положение между графитом и фуллеренами.
Различают два основных типа углеродных нанотрубок:
- Одностенные (ОУНТ) — состоят из одного свернутого графенового листа
- Многостенные (МУНТ) — содержат несколько вложенных друг в друга одностенных нанотрубок
Уникальность углеродных нанотрубок заключается в сочетании их наноразмеров, цилиндрической формы и особой структуры из атомов углерода. Это определяет их необычные физические и химические свойства, открывающие широкие возможности для применения в различных областях науки и техники.
Структура и основные свойства углеродных нанотрубок
Структура УНТ определяется способом сворачивания графенового листа в цилиндр. От этого зависят их электронные свойства — они могут проявлять как металлическую, так и полупроводниковую проводимость. Основные характеристики нанотрубок:
- Высокая прочность при малом весе (прочнее стали в 50-100 раз)
- Высокая тепло- и электропроводность
- Химическая и термическая стабильность
- Большая удельная поверхность (до 2600 м2/г)
- Упругость и гибкость
- Способность к холодной эмиссии электронов
Эти свойства делают углеродные нанотрубки перспективным материалом для создания сверхпрочных композитов, электронных устройств, химических сенсоров и других высокотехнологичных изделий.
Методы получения углеродных нанотрубок
Существует несколько основных методов синтеза углеродных нанотрубок:
Электродуговой метод
Основан на термическом распылении графитового электрода в электрической дуге. Позволяет получать как одностенные, так и многостенные нанотрубки высокого качества, но в небольших количествах.
Лазерная абляция
Использует испарение графита под действием лазерного излучения. Дает возможность синтезировать преимущественно одностенные нанотрубки с контролируемыми размерами.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)
Включает разложение углеводородов на металлических катализаторах при температурах 600-1200°C. Наиболее распространенный промышленный метод, позволяющий получать большие количества как одностенных, так и многостенных нанотрубок.
Выбор метода синтеза зависит от требуемого типа, количества и качества углеродных нанотрубок. Для массового производства чаще используется CVD-метод из-за его масштабируемости и экономичности.
Применение углеродных нанотрубок в электронике
Уникальные электронные свойства углеродных нанотрубок делают их перспективным материалом для создания электронных устройств нового поколения. Основные направления применения УНТ в электронике:
Транзисторы на основе нанотрубок
УНТ могут использоваться в качестве канала полевых транзисторов. Такие транзисторы обладают высоким быстродействием и низким энергопотреблением. Это открывает возможности для создания сверхбыстрых и энергоэффективных процессоров.
Прозрачные проводящие покрытия
Сети из углеродных нанотрубок могут заменить оксид индия-олова (ITO) в сенсорных экранах, солнечных элементах и светодиодах. Они обеспечивают лучшую гибкость и механическую прочность.
Суперконденсаторы
Благодаря большой удельной поверхности, УНТ позволяют создавать суперконденсаторы с высокой плотностью энергии. Такие устройства могут использоваться для быстрой зарядки электромобилей и мобильных устройств.
Применение углеродных нанотрубок в электронике позволяет преодолеть ограничения традиционных полупроводниковых технологий и создавать устройства с улучшенными характеристиками.
Использование углеродных нанотрубок в композиционных материалах
Углеродные нанотрубки активно применяются для создания композиционных материалов с улучшенными механическими и функциональными свойствами. Основные направления использования УНТ в композитах:
Структурные композиты
Добавление УНТ в полимерные и керамические матрицы позволяет значительно повысить прочность, жесткость и ударную вязкость материалов. Такие композиты используются в авиакосмической отрасли, автомобилестроении, спортивном инвентаре.
Электропроводящие композиты
Введение небольшого количества УНТ в полимеры делает их электропроводящими. Это позволяет создавать антистатические материалы, экраны электромагнитного излучения, нагревательные элементы.
Теплопроводящие композиты
Использование УНТ в композитах позволяет создавать материалы с уникальным сочетанием свойств, недостижимым для традиционных наполнителей. Это открывает новые возможности для разработки инновационных изделий в различных отраслях промышленности.
Применение углеродных нанотрубок в энергетике
Уникальные свойства углеродных нанотрубок находят широкое применение в различных областях энергетики, способствуя повышению эффективности существующих технологий и разработке новых энергетических решений.
Солнечные элементы
УНТ используются в качестве прозрачных электродов и активных слоев в солнечных элементах. Они позволяют улучшить сбор света и транспорт носителей заряда, повышая эффективность преобразования солнечной энергии. Какова эффективность солнечных элементов с УНТ? Текущие разработки показывают повышение КПД на 10-15% по сравнению с традиционными технологиями.
Топливные элементы
Нанотрубки применяются в качестве носителей катализаторов в топливных элементах, обеспечивая большую площадь активной поверхности. Это позволяет снизить содержание дорогостоящих металлов и повысить эффективность преобразования химической энергии в электрическую.
Накопители энергии
УНТ используются в литий-ионных аккумуляторах для создания высокопроводящих электродов с большой удельной емкостью. Как это влияет на характеристики батарей? Применение нанотрубок позволяет увеличить емкость аккумуляторов на 30-50% и сократить время зарядки.
Применение углеродных нанотрубок в энергетике способствует повышению эффективности преобразования и хранения энергии, что крайне важно для развития возобновляемых источников энергии и электротранспорта.
Перспективы использования углеродных нанотрубок в медицине
Углеродные нанотрубки обладают уникальными свойствами, которые открывают новые возможности для их применения в различных областях медицины. Рассмотрим наиболее перспективные направления:
Адресная доставка лекарств
УНТ могут использоваться в качестве контейнеров для доставки лекарственных препаратов к определенным клеткам или органам. Как это работает? Нанотрубки заполняются лекарством и модифицируются для распознавания целевых клеток. Это позволяет повысить эффективность терапии и снизить побочные эффекты.
Биосенсоры
Высокая чувствительность и большая удельная поверхность УНТ делают их идеальными для создания высокочувствительных биосенсоров. Они могут использоваться для обнаружения различных биомаркеров, вирусов и бактерий в малых концентрациях.
Регенеративная медицина
УНТ применяются для создания скаффолдов — трехмерных структур, поддерживающих рост и дифференциацию клеток. Какие преимущества дает использование нанотрубок в этой области? Они обеспечивают механическую прочность, электропроводность и возможность функционализации поверхности для лучшего взаимодействия с клетками.
Несмотря на перспективность применения УНТ в медицине, необходимы дальнейшие исследования их биосовместимости и долгосрочного воздействия на организм для обеспечения безопасности медицинских применений.
Экологические аспекты производства и применения углеродных нанотрубок
Развитие технологий на основе углеродных нанотрубок ставит ряд вопросов, связанных с их влиянием на окружающую среду и здоровье человека. Рассмотрим основные экологические аспекты производства и применения УНТ:
Энергоемкость производства
Синтез УНТ требует значительных энергозатрат, особенно при использовании высокотемпературных методов. Как можно снизить энергоемкость производства? Разрабатываются более эффективные катализаторы и методы синтеза при пониженных температурах, что позволяет сократить энергопотребление.
Потенциальная токсичность
Некоторые исследования показывают, что УНТ могут оказывать негативное воздействие на живые организмы при попадании в окружающую среду. Какие меры предпринимаются для снижения рисков? Разрабатываются методы функционализации поверхности нанотрубок для повышения их биосовместимости и биоразлагаемости.
Утилизация и переработка
С ростом применения УНТ в различных изделиях возникает вопрос их утилизации после окончания срока службы. Как решается эта проблема? Исследуются методы выделения нанотрубок из отслуживших изделий для их повторного использования, а также способы безопасной утилизации материалов, содержащих УНТ.
Решение экологических проблем, связанных с производством и применением углеродных нанотрубок, требует комплексного подхода, включающего разработку более чистых технологий производства, оценку жизненного цикла материалов и создание эффективных систем утилизации.
Углеродные нанотрубки, их производство, свойства и применение
Наноиндустрия Производство прочей неметаллической минеральной продукции Прорывные технологии
Углеродные нанотрубки, их производство, свойства и применение.
Поделиться в:
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 (англ. carbon nanotube, CNT) – 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:
| Значение: | |
| Удельная площадь поверхности, м2/г | 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.
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 8 921
Углеродные нанотрубки, их свойства, структура и применение
Углеродные нанотрубки это новый углеродный материал, представляющий собой цилиндрические структуры с диаметром порядка нескольких нанометров, состоящие из свернутых в трубку графитовых плоскостей.
Нанометр равен одной миллиардной части метра, что составляет около одной десятитысячной толщины человеческого волоса. Графитовая плоскость представляет собой непрерывную гексагональную сетку с атомами углерода в вершинах шестиугольников.
Углеродные нанотрубки могут различаться по длине, диаметру, хиральности (симметрии свернутой графитовой плоскости) и по количеству слоев. И хотя углеродные нанотрубки образованы, по сути, из плоскостей графита, в зависимости от структуры, они могут обладать как полупроводниковыми, так и металлическими свойствами.
Углеродные нанотрубки обычно имеют диаметр от <1 нм до 50 нм. Их длина, как правило, составляет несколько микрон, но последние достижения сделали возможным производство нанотрубок с длиной до нескольких сантиметров.
Структура углеродных нанотрубок.
Свойства углеродных нанотрубок
Уникальное сочетание механических и электронных свойств углеродных нанотрубок делает их лучшимим в ряду углеродных волокон.
В приведенных ниже таблицах (Таблица 1 и Таблица 2) сравниваются некоторые свойства углеродных нанотрубок и других конструкционных материалов.
В целом, углеродные нанотрубки демонстрируют уникальное сочетание жесткости, прочности и упругости по сравнению с другими волокнистыми материалами, которым обычно не хватает одного или нескольких из этих свойств. Тепло-и электропроводность углеродных нанотрубок также очень высока и сравнима с другими проводящими материалами.
Таблица 1. Механические свойства углеродных нанотрубок
| Волокнистый материал | Удельная плотность (г/см3) | Модуль Юнга (ТПа) | Предел прочности (ГПа) | Удлинение при разрыве (%) |
|---|---|---|---|---|
| Углеродные нанотрубки | 1.3 — 2 | 1 | 10 — 60 | 10 |
| Легированная cталь | 7. 8 |
0.2 | 4.1 | < 10 |
| Углеродное волокно (полиакрилонитрил) | 1.7 — 2 | 0.2 — 0.6 | 1.7 — 5 | 0.3 — 2.4 |
| Углеродное волокно (пек) | 2 — 2.2 | 0.4 — 0.96 | 2.2 — 3.3 | 0.27 — 0.6 |
|
Стекловолокно типа E/S (E/S glass) |
2.5 | 0.07 / 0.08 | 2.4 / 4.5 | 4.8 |
| Kevlar* 49 | 1.4 | 0.13 | 3.6 — 4.1 | 2.8 |
Таблица 2.
Транспортные свойства углеродных нанотрубок| Материал | Удельная теплопроводность (Вт/(м∙К)) | Электропроводность (См/м) |
|---|---|---|
| Углеродные нанотрубки | > 3000 | 106 — 107 |
| Медь | 400 | 6 x 107 |
| Углеродное волокно (пек) | 1000 | 2 — 8.5 x 106 |
| Углеродное волокно (полиакрилонитрил) | 8 — 105 | 6.5 — 14 x 106 |
Применение углеродных нанотрубок
Технологии на основе углеродных нанотрубок могут быть использованы для широкого спектра областей:
- Проводящие пластмассы
- Структурные композиционные материалы
- Плоские дисплеи
- Хранение газа
- Противообрастающие краски для защиты подводных частей
- Микро-и наноэлектроника
- Радиопоглощающие покрытия
- Технический текстиль
- Ультраконденсаторы (ионисторы)
- Зонды для атомно-силового микроскопа (АСМ)
- Элементы питания с улучшенным сроком службы
- Газовые биосенсоры
- Высокопрочные волокна.
Видео про углеродные нанотрубки.
Статьи по теме
Технический углерод
Технический углерод — высокодисперсный углеродистый материал, образующийся при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов (природных или промышленных газов, жидких продуктов нефтяного или каменноугольного происхождения).
Наноиндентирование
Индентирование производится вдавливанием в изучаемый образец индентора, обладающего известными механическими свойствами — формой, модулем упругости и т. д., с заданным усилием.
Применение многостенных углеродных нанотрубок
Многослойные углеродные нанотрубки обладают превосходными и замечательными характеристиками и находят коммерческое применение в огромном количестве приложений. Как правило, они доступны в диапазоне чистоты и длины. Углеродные нанотрубки имеют несколько потенциальных применений, а именно: добавки в полимеры, эмиттеры электронного поля для электронно-лучевых осветительных элементов, катализаторы, транзисторы, газоразрядные трубки в телекоммуникационных сетях, батареи, солнечные элементы, поглощение и экранирование электромагнитных волн, плоский дисплей, преобразование энергии и хранение, хранение водорода, датчики, композиты нанотрубок, аноды литиевой батареи, суперконденсатор и усиление в композитах.
Они также используются в медицинской сфере. Их применение подробно рассмотрено в этой статье.
Введение
Углерод очень важен для жизни и процветания живых существ, он содержится во всем, от топлива до еды. Углеродная нанотрубка (УНТ) — это одна из самых последних открытых полезных форм углерода. Это структура молекулярного масштаба, содержащая атомы углерода, соединенные ковалентными связями, расположенные в одном или нескольких цилиндрических слоях, связанных в виде шестиугольной мозаики, таким образом образуя полую трубку диаметром несколько 100 нанометров. УНТ известны как аллотропы углерода, занимающие промежуточное положение между графитом и клетками фуллерена. Существует два типа углеродных нанотрубок. Две или более одностенных УНТ соединяются, образуя многостенную углеродную нанотрубку, они соединяются в основном слабыми межмолекулярными силами, или, может быть, это один лист графена, многократно свернутый вокруг цилиндрической полости.
Разница между однослойными углеродными нанотрубками и многослойными углеродными нанотрубками заключается в количестве цилиндрических стенок.
В многостенных углеродных нанотрубках имеется множество концентрических стенок увеличенного диаметра, состоящих из молекул углерода. Несмотря на то, что МУНТ имеет несколько стенок, их может быть от 6 до 25 и даже больше, но каждая стенка содержит только атомную структуру. Многостенная углеродная нанотрубка имеет внешний диаметр 50-80нм, внутренний диаметр 5-15нм. Таким образом, толщина стенки 45-65 нм; каждая стена имеет расстояние 0,34 нм между ними. Высокая чистота, отсутствие дефектов в структуре и меньшее количество отходов углеродного материала являются результатом меньшего количества стенок; в то же время хорошая морфология УНТ обеспечивается более прямыми и длинными трубками.
Как правило, сразу же доступны многостенные УНТ различной степени чистоты и длины. Ключевыми областями применения MWCNT являются транзисторы, батареи, плоские дисплеи, накопители энергии и солнечные элементы.
Синтез УНТ
Оба препарата как одностенные
и многостенные углеродные нанотрубки изготавливаются с использованием тех же общих методов. настроены на тот или иной тип трубки. За последние 20 лет широкий спектр
методов их синтеза были разработаны, и в настоящее время это очень известный
процесс на коммерческом уровне. Каталитическое химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
наиболее распространенный и реализуемый на сегодняшний день метод синтеза; хотя, лазер
Абляция и дуговой разряд также должны быть обсуждены и упомянуты. Некоторые другие
методы промышленного производства.
Свойства УНТ
Их молекулярная масса составляет 12,01. Его истинная плотность составляет 1,7-2,1 г/см3, а средний размер частиц составляет 0,5-20 мкм (Д). МУНТ используются в самых разных коммерческих приложениях из-за их превосходных свойств.
Они имеют высокое соотношение сторон, длина обычно более чем в сто раз превышает диаметр. Не только их высокое соотношение сторон определяет их применение и характеристики, но и прямолинейность трубки и степень запутывания.
Физически МУНТ бездефектны, обладают замечательной прочностью на растяжение, даже большей, чем у стали, а при ассимиляции в композит, например, в термореактивные или термопластичные компаунды, они могут значительно повысить свою прочность. Сп-связи между отдельными атомами углерода придают им эту замечательную силу. После приложения силы их первоначальная форма будет возвращена после снятия силы. Прочность самого слабого сегмента трубки определяет прочность нанотрубки на растяжение. Электрически, когда они интегрированы в структуру композита, они обладают высокой проводимостью. Кроме того, поскольку внешняя стенка обладает высокой проводимостью, внутренние стенки не обладают такой же проводимостью. Химически МУНТ обладают очень высокой химической стабильностью. Термически они имеют термическую стабильность более 600 °C, что является очень высоким показателем.
Применение УНТ
МУНТ
(Многостенные углеродные нанотрубки) очень прочны; у них хорошие возможности
проводящие как тепловую, так и электрическую энергию, и поэтому находят большое количество
приложений по-разному. МУНТ используются для
электронно-лучевые осветительные элементы в электронном поле именно потому, что МУНТ являются
возможно, самый большой из известных электронных излучателей поля, в значительной степени из-за их
повышенное отношение длины к диаметру. Они также используются при обработке вафель.
изготовление материалов, экранирующих радиочастотные помехи. MWNTs имеет широкий спектр существующих и развивающихся
Приложения; некоторые из них включают:
Композиты из Улучшенная структура: из тканых или нетканых материалов или пропитанных смолой. в форме липкой бумаги МУНТ при насыщении термореактивными смолами имеют показали значительное улучшение прочности композитных конструкций и жесткость, например, аэрокосмическая промышленность, стержни клюшек для гольфа и конструкционные ламинаты Приложения.
Электрические
Проводящие полимеры: Многостенные углеродные нанотрубки подходят для
эти обычаи, особенно из-за их высокого соотношения сторон и высокой
проводимость. Необходимый уровень проводимости можно получить с помощью
значительно сниженные нагрузки по сравнению с обычными решениями, например,
сажа или металлические частицы. Приложения содержат пластиковые компоненты
и антистатические эластомерные компоненты для компонентов автомобильного топлива
линия, защита от электростатического разряда в производстве пластин и
пластмассы, которые сделаны проводящими для обеспечения электростатической окраски распылением
кузовных деталей автомобиля, экранирующие материалы от радиопомех и многое другое.
Аккумулятор Катоды: когда MWNT интегрируются в катоды, наблюдается значительное улучшение.
Мембраны для Фильтрация воды: очень эффективная среда для фильтрации показана материалов с большой удельной поверхностью, высокой механической прочностью и высокой соотношение сторон.
Некоторые другие приложения для разработки включают улучшенное углеродное волокно, термоинтерфейс, нагревательные элементы с напыляемым покрытием и другие материалы, проводящие тепло.
УНТ в медицине
В области медицины биосенсор
создается, из которого дрожжевые инфекции могут быть быстро диагностированы, чем
текущий метод. Электрический ток устройства изменяется за счет взаимодействия
дрожжи и антитела. Антитела предназначены для атаки на дрожжевые клетки.
Candida, и их приводят в контакт с образцом клеток и соединяют с
транзистор, содержащий УНТ. Нацеливание на опухоль — еще один возможный медицинский
применение УНТ. УНТ вводили мышам в почки и
ближний инфракрасный лазер направляется на опухоли. УНТ ответили вибрацией и
убивали клетки опухоли с помощью выделяемого тепла.
Ключ Области применения МУНТ: солнечные элементы, батареи, наноэлектроника, Транзисторы, накопитель энергии и плоский дисплей.
Батарейки
Перезаряжаемые
литий-ионные батареи используются в большинстве портативных электронных устройств. заряд
высвобождается этими батареями, когда начинается движение ионов лития между
2 электрода, один из которых — оксид металла, а другой — графит.
емкость хранилища может быть удвоена, если Graphite заменить на MWCNT.
Электроды на основе углеродных нанотрубок могут быть в десять раз легче и тоньше, чем
электроды из аморфного углерода и с в тысячу раз большей
проводимость. В некоторых сценариях, например, для электромобилей, вес
снижение может привести к значительному снижению требований к мощности батарей.
В суперконденсаторах используются МУНТ, обеспечивающие удельную мощность 30 кВт/кг (согласно
до 4 кВт/кг для имеющихся в продаже устройств). Время зарядки
такие устройства, как сотовые телефоны и ноутбуки, могут быть резко сокращены с помощью таких
суперконденсаторы.
Чтобы получить дополнительную информацию об углеродных нанотрубках,
, вы можете прочитать наш блог здесь.
Солнечные батареи
Башни высотой в сто микрометров,
изготовлены из выращивания многостенных углеродных нанотрубок на пластинах
кремний с железным покрытием содержится в солнечных элементах. В каждом квадратном сантиметре его
поверхность, там 40 000 таких башен. Каждая башня состоит из миллионов
MWCNT, выровненные по вертикали. Когда свет отражается от башни
стороны, больше света поглощается солнечными элементами. Когда солнце 90 С, солнечные батареи
обычно имеют пиковую эффективность, тогда как эти ячейки отображают два пика
в 45 лет и большую часть дня функционирует с относительно повышенным
эффективность. Тот факт, что необходимость иметь механические средства ориентации
клетки, обращенные к солнцу, могут быть устранены этими клетками, что делает их специфически
подходит для применения в космосе.
Транзисторы
Модем интегральная схема функционирует как цифровые переключатели и основа тех цепи образованы транзисторами. Альтернатива углеродным нанотрубкам конфигурации позволяют MWCNT функционировать как транзисторы. Криогенные, такие как температуры изначально требуются переключателям на основе нанотрубок переключатели, размер отдельного электрона был ожидаем.
Наноэлектроника
Один очень
важное применение MWCNT находится в области наноэлектроники из-за
высокопроводящая способность МУНТ. Углеродные волокна, обладающие наибольшей проводимостью
Многостенные канаты из нанотрубок. Кремний полупроводник, и, возможно, он может
быть результатом альтернативных конфигураций углеродных нанотрубок. Степень хиральности
определяет нанотрубки, например, размер фактического диаметра нанотрубки и
степень скручивания, которая приводит к чрезвычайно непроводящему или проводящему
нанотрубка (что делает ее подходящей в качестве основы для полупроводников).
Плоский дисплей
В качестве источника эмиссии электронов, МУНТ используются для изготовления прототипов матрично-адресуемых диодные плоские дисплеи. На стеклянную пластину катода нанесена нанотрубка-эпоксидная смола. полосами, а на анодной пластине нанесен люминофор, покрытый оксидом индия-олова (ITO). в полоску. На пересечении полосок анода и катода образуются пиксели. А схема половинного напряжения вне пикселя используется устройством для начала работы. Между катодной и анодной полосками коммутируются импульсы +-150В, чтобы создать изображение. Компания Samsung изготовила автоэмиссионный дисплей с люминофорным покрытием. Полосы ITO на аноде и на катоде, полосы MWCNT идут вместе с анодом. МУУНТ, которые синтезирует метод дугового разряда, были впервые диспергируют в изопропиловом спирте, а затем смешивают с нитроцеллюлозой. органическая смесь.
Аккумулятор энергии
Для
производство и хранение энергии, МУНТ находятся в эксплуатации. В течение десятилетий,
Углеродные материалы, электроды из углеродных волокон и графит были
используется в батареях, топливных элементах и различных электрохимических устройствах. Из-за
хорошая удельная поверхность, топология гладкой поверхности и малые габариты,
нанотрубки особенные, поскольку базовые плоскости графита являются единственными плоскостями, которые
раскрываются в их структуре. На электродах из углерода скорость переноса электронов
в конечном итоге определяет эффективность топливных элементов, и это зависит от многочисленных
факторы, например, морфология и структура углеродного материала,
используется в электродах. Каталитически выращенные углеродные нановолокна обладают свойствами
которые требуются электрохимическим конденсаторам большой мощности.
Заключение
Таким образом, МУНТ используются в самых разных областях.
коммерческих приложений из-за их превосходных свойств. МУНТ (многостенные углеродные нанотрубки)
очень сильные; они обладают хорошей способностью проводить как тепловое, так и
электрической энергии, поэтому находят широкое применение в
различные пути. MWNT имеют широкий спектр существующих и развивающихся приложений,
некоторые из них, включая композиты с улучшенной структурой, электрически
Проводящие полимеры, аккумуляторные катоды и мембраны для фильтрации воды.
Ключевыми областями применения МУНТ являются солнечные элементы, батареи, наноэлектроника,
Транзисторы, накопитель энергии и плоский дисплей.
Чтобы получить дополнительную информацию, посетите Blografi.
Ссылки
https://www.us-nano.com/mwcnts_applications
https://www.techinstro.com/types-of-carbon-nanotubes-and-their-applications/
https://www.americanelements.com/multi-walled-carbon-nanotubes-308068-56-6
https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3469
https://en. wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube
https://sci-hub.tw/10.1007/978-3-642-20595-8_5
17 мая 2021 г. Эмилия Колдуэлл
Углеродные нанотрубки: функционализация и их применение в химических сенсорах
Мохд Нурацци Норизан, и Мухаммад Харусани Моклис, и Сити Зулайха Нга Демон, и Норхана Абдул Халим, и Алинда Самсури, и Имран Сякир Мохамад, б Виктор Фейзал Рыцарь с и Норли Абдулла* a
Принадлежности автора
* Соответствующие авторы
и Кафедра химии и биологии, Центр оборонных исследований, Universiti Pertahanan National Malaysia, Kem Perdana Sungai Besi, 57000 Куала-Лумпур, Малайзия
Электронная почта: norli. [email protected]
б Факультет машиностроения, Технический университет Малайзии, Малакка, Ханг Туах Джая, 76100 Дуриан Тунггал, Малакка, Малайзия
в Исследовательский центр химической защиты, Universiti Pertahanan National Malaysia, Kem Perdana Sungai Besi, 57000 Куала-Лумпур, Малайзия
Аннотация
