Однослойные нанотрубки. Углеродные нанотрубки: виды, свойства и перспективные области применения

Что такое углеродные нанотрубки. Какие бывают виды нанотрубок. Каковы уникальные свойства углеродных нанотрубок. Где применяются нанотрубки сегодня и в будущем. Как производят углеродные нанотрубки.

Что такое углеродные нанотрубки и как они устроены

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические молекулы, состоящие из атомов углерода. Их можно представить как свернутый в трубку лист графена — одноатомного слоя углерода. Диаметр нанотрубок составляет от 0,7 до нескольких нанометров, а длина может достигать нескольких сантиметров.

Стенки углеродных нанотрубок образованы правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. На концах трубки могут быть закрыты полусферическими крышечками, напоминающими половину молекулы фуллерена.

Основные виды углеродных нанотрубок

• Однослойные нанотрубки — состоят из одного слоя атомов углерода
• Многослойные нанотрубки — содержат несколько вложенных друг в друга однослойных нанотрубок
• Нанотрубки типа «русская матрешка» — многослойные трубки, вложенные одна в другую
• Нанотрубки типа «свиток» — один лист графена, свернутый в рулон

По своей структуре нанотрубки могут быть прямыми или спиральными. Спиральность определяется углом ориентации графеновой плоскости относительно оси трубки.

Уникальные свойства углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки обладают целым рядом уникальных свойств, которые делают их чрезвычайно перспективным материалом для различных применений:

Механические свойства

• Высочайшая прочность — прочность на разрыв достигает 50-200 ГПа, что в десятки раз превышает прочность стали
• Высокий модуль Юнга — до 1-5 ТПа, что в 5 раз больше, чем у стали
• Малый вес — плотность около 1,3-1,4 г/см³
• Высокая гибкость — могут изгибаться под большими углами без разрушения

Электрические свойства

• Могут быть как проводниками, так и полупроводниками
• Высокая электропроводность — плотность тока до 10⁹ А/см²
• Возможность управления проводимостью путем деформации

Тепловые свойства

• Высокая теплопроводность вдоль оси — до 6000 Вт/(м·К)
• Термостойкость до 2800°C в вакууме и до 750°C на воздухе

Оптические свойства

• Поглощение света в широком диапазоне длин волн
• Люминесценция в ближнем ИК-диапазоне

Такое уникальное сочетание свойств делает углеродные нанотрубки одним из самых перспективных наноматериалов.

Области применения углеродных нанотрубок

Благодаря своим уникальным свойствам углеродные нанотрубки находят применение во многих областях науки и техники:

Электроника

• Транзисторы и логические элементы
• Прозрачные проводящие покрытия
• Гибкая электроника
• Суперконденсаторы
• Литий-ионные аккумуляторы

Композиционные материалы

• Сверхпрочные и легкие конструкционные материалы
• Антистатические покрытия
• Теплопроводящие композиты

Сенсоры и датчики

• Химические и биологические сенсоры
• Датчики давления и деформации

Медицина

• Адресная доставка лекарств
• Биосенсоры
• Имплантаты и искусственные мышцы

Энергетика

• Солнечные элементы
• Топливные элементы
• Водородные накопители

Это далеко не полный перечень возможных применений углеродных нанотрубок. Исследования в этой области продолжаются, и постоянно открываются новые перспективные направления использования этого уникального наноматериала.

Методы получения углеродных нанотрубок

Существует несколько основных методов синтеза углеродных нанотрубок:

Электродуговой метод

Этот метод основан на испарении графитовых электродов в плазме дугового разряда. Нанотрубки образуются в результате конденсации паров углерода. Метод позволяет получать как однослойные, так и многослойные нанотрубки.

Лазерная абляция

При этом методе графитовая мишень испаряется под действием лазерного излучения. Образующиеся пары углерода конденсируются с образованием нанотрубок. Метод дает возможность получать преимущественно однослойные нанотрубки.

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)

Этот метод основан на разложении углеводородов на поверхности металлических катализаторов. Он позволяет получать как однослойные, так и многослойные нанотрубки с контролируемыми параметрами.

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Выбор метода зависит от требуемых характеристик нанотрубок и масштабов производства.

Перспективы применения углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки имеют огромный потенциал для создания новых материалов и устройств с уникальными свойствами. Некоторые перспективные направления их применения в будущем:

• Сверхбыстрая электроника на основе графеновых и нанотрубных транзисторов
• Квантовые компьютеры с использованием спиновых состояний электронов в нанотрубках
• Искусственные мышцы и нейроинтерфейсы на основе нанотрубных актюаторов
• Космический лифт с использованием сверхпрочных нанотрубных тросов
• Суперконденсаторы сверхвысокой емкости для накопления энергии

Однако для реализации этих перспектив необходимо решить ряд технологических проблем, связанных с массовым производством нанотрубок с заданными свойствами и их интеграцией в существующие технологии.

Проблемы и ограничения в использовании углеродных нанотрубок

Несмотря на огромный потенциал, широкое применение углеродных нанотрубок сталкивается с рядом проблем:

• Высокая стоимость производства чистых нанотрубок
• Сложность получения нанотрубок с заданными параметрами
• Проблемы с равномерным распределением нанотрубок в композитах
• Потенциальная токсичность некоторых видов нанотрубок
• Отсутствие стандартов и методов контроля качества

Решение этих проблем требует дальнейших исследований и разработок в области технологий производства и применения углеродных нанотрубок.

Заключение и перспективы развития технологий углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки представляют собой уникальный наноматериал с огромным потенциалом применения в различных областях науки и техники. Их уникальные механические, электрические и тепловые свойства открывают возможности для создания новых материалов и устройств с революционными характеристиками.

Основные направления дальнейшего развития технологий углеродных нанотрубок включают:

• Совершенствование методов массового производства нанотрубок с заданными свойствами
• Разработку эффективных методов функционализации и модификации нанотрубок
• Создание новых композиционных материалов на основе нанотрубок
• Интеграцию нанотрубок в существующие электронные и конструкционные технологии
• Исследование биологической безопасности и разработку методов контроля качества нанотрубок

Успешное решение этих задач позволит в полной мере реализовать потенциал углеродных нанотрубок и создать новое поколение высокотехнологичных материалов и устройств.

Углеродные нанотрубки: виды и области применения. Cleandex

Считается, что первооткрывателем углеродных нанотрубок является сотрудник японской корпорации NEC Сумио Ииджима, который в 1991 году наблюдал структуры многослойных нанотрубок при изучении под электронным микроскопом осадков, которые образовывались в процессе синтеза молекулярных форм чистого углерода, имеющего клеточную структуру.

Классификация

Основная классификация нанотрубок проводится по количеству составляющих их слоев.

Однослойные нанотрубки (single-walled nanotubes, SNWTs) – простейший вид нанотрубок. Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во много тысяч раз больше. Структуру однослойных нанотрубок можно представить как «обертывание» гексагональной сетки графита (графена), основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода, в бесшовный цилиндр. Верхние концы трубок закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половины молекулы фуллерена.

Рисунок 1. Графическое изображение однослойной нанотрубки

Чтобы быть в курсе последних новостей, событий и аналитических публикаций в области наноматериалов, оформите подписку на новости ИАА Cleandex.

Многослойные нанотрубки

(multi-walled nanotubes, MWNTs) состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние между слоями равно 0.34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите.

Существуют две модели, использующиеся для описания их структуры. Многослойные нанотрубки могут представлять собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемая «матрешка»). В другом случае, один «лист» графена оборачивается несколько раз вокруг себя, что похоже на прокрутку пергамента или газеты (модель «пергамента»).

Рисунок 2. Графическое изображение многослойной нанотрубки (модель «матрешка»)

 

Методы синтеза

Наиболее распространенными методами синтеза нанотрубок являются электродуговой метод, лазерная абляция и химическое осаждение из газовой фазы (CVD).

Дуговой разряд (Arc discharge) — сущность этого метода состоит в получении углеродных нанотрубок в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия, на технологических установках для получения фуллеренов. Однако здесь используются другие режимы горения дуги: низкие плотности тока дугового разряда, более высокое давление гелия (~ 500 Торр), катоды большего диаметра.

Для увеличения выхода нанотрубок в продуктах распыления в графитовый стержень вводится катализатор (смеси металлов группы железа), изменяется давление инертного газа и режима распыления.

В катодном осадке содержание нанотрубок достигает 60%. Образующиеся нанотрубки длиной до 40 мкм растут от катода перпендикулярно его поверхности и объединяются в цилиндрические пучки диаметром около 50 км.

Лазерная абляция (Laser ablation)

Этот метод был изобретен Ричардом Смалли и сотрудниками Rice University» и основан на испарении графитовой мишени в высокотемпературной реакторе. Нанотрубки появляются на охлажденной поверхности реактора как конденсат испарения графита. Водоохлаждаемая поверхность может быть включена в систему сбора нанотрубок.

Выход продукта в этом методе – около 70%. С его помощью получают преимущественно однослойные углеродные нанотрубки с контролируемым посредством температуры реакции диаметром. Однако стоимость данного метода намного дороже остальных.

Химическое осаждение из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD)

Метод каталитического осаждения паров углерода был выявлен еще в 1959 году, однако до 1993 года никто не предполагал, что в этом процессе можно получить нанотрубки.

В процессе этого метода готовится подложка со слоем катализатора – частиц металла (чаще всего никеля, кобальта, железа или их комбинаций). Диаметр нанотрубок, выращенных таким способом, зависит от размера металлических частиц.

Подложка нагревается примерно до 700 оС. Для инициации роста нанотрубок в реактор вводят два типа газов: технологический газ (например, аммиак, азот, водород и т. д. ) и углеродосодержащий газ (ацитилен, этилен, этанол, метан и т. д. ). Нанотрубки начинают расти на участках металлических катализаторов.

Этот механизм является наиболее распространенным коммерческим методом производства углеродных нанотрубок. Среди других методов получения нанотрубок CVD наиболее перспективен в промышленных масштабах благодаря наилучшему соотношению в плане цены на единицу продукции. Кроме того, он позволяет получать вертикально ориентированные нанотрубки на желаемом субстрате без дополнительного сбора, а также контролировать их рост посредством катализатора.

Области применения

Углеродные нанотрубки вместе с фуллеренами и мезопористыми углеродными структурами образуют новый класс углеродных наноматериалов, или углеродных каркасных структур, со свойствами, которые значительно отличаются от других форм углерода, таких как графит и алмаз. Однако наиболее перспективными их них являются именно нанотрубки.

Интересуетесь бизнесом в области наноматериалов? Тогда Вас могут заинтересовать

Углеродные нанотрубки. Устройство и применение. Особенности

Углеродные нанотрубки – это материал, которым грезят многие ученые. Высокий коэффициент прочности, превосходная тепло- и электропроводность, огнестойкость и весовой коэффициент на порядок выше, чем у большинства известных материалов. Углеродные нанотрубки представляют свернутый в трубку лист графена. Русские ученые Константин Новоселов, а также Андрей Гейм за его открытие получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Впервые же наблюдать за углеродными трубками на поверхности железного катализатора могли советские ученые еще в 1952 году. Однако потребовалось пятьдесят лет, чтобы ученые смогли увидеть в нанотрубках перспективный и полезный материал. Одним из поразительных свойств этих нанотрубок является то, что их свойства определяются геометрией. Так от угла скручивания зависят их электрические свойства — нанотрубки могут демонстрировать полупроводниковую и металлическую проводимость.

Многие перспективные направления в нанотехнологиях сегодня связывают именно с углеродными нанотрубками. Если просто, то углеродные нанотрубки представляют гигантские молекулы или каркасные структуры, которые состоят лишь из атомов углерода. Легко представить такую нанотрубку, если вообразить, что происходит сворачивание в трубку графена – это один из молекулярных слоев графита. Метод сворачивания нанотрубок во многом определяет конечные свойства данного материала.

Естественно, что никто не создает нанотрубки, специально сворачивая их из листа графита. Образуются нанотрубки сами, к примеру, на поверхности угольных электродов либо между ними при дуговом разряде. Атомы углерода при разряде испаряются с поверхности и соединяются между собой. В результате образуются нанотрубки различного вида – многослойные, однослойные и с различными углами закручивания.

Основная классификация нанотрубок как раз идет по числу составляющих их слоев:

• однослойные нанотрубки – самый простой вид нанотрубок. Большая их часть из них имеют диаметр порядка 1 нм при длине, которая может получиться в тысячи раз больше;
• многослойные нанотрубки, состоящих из нескольких слоев графена, они складываются в форме трубки. Между слоями образуется расстояние 0,34 нм, то есть идентичное расстоянию между слоями в кристалле графита.

Устройство

Нанотрубки представляют протяженные цилиндрические структуры углерода, которые могут иметь длину до нескольких сантиметров и диаметр от одного до нескольких десятков нанометров. В то же время сегодня имеются технологии, которые позволяют сплетать их в нити неограниченной длины. Они могут состоять из одной или нескольких графеновых плоскостей, свернутых в трубку, которые обычно заканчиваются полусферической головкой.

Диаметр нанотрубок составляет несколько нанометров, то есть несколько миллиардных долей метра. Стенки углеродных нанотрубок выполнены из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Трубки могут иметь разный тип строения, именно он влияет на их механические, электронные и химические свойства. Однослойные трубки имеют меньше дефектов, в то же время после отжига при высокой температуре в инертной атмосфере удается получить и бездефектные варианты трубок. Многослойные нанотрубки отличаются от стандартных однослойных существенно более широким разнообразием конфигураций и форм.

Синтезировать углеродные нанотрубки можно разными способами, но наиболее распространенными являются:

• Дуговой разряд. Метод обеспечивает получение нанотрубок на технологических установках для выработки фуллеренов в плазме дугового разряда, который горит в атмосфере гелия. Но здесь применяются иные режимы горения дуги: более высокое давление гелия и низкие плотности тока, а также катоды большего диаметра. В катодном осадке находятся нанотрубки длиной до 40 мкм, они растут перпендикулярно от катода и объединяются в цилиндрические пучки.
• Метод лазерной абляции. Метод базируется на испарении мишени из графита в специальном высокотемпературном реакторе. Нанотрубки образуются на охлажденной поверхности реактора в виде конденсата испарения графита. Данный метод позволяет преимущественно получать однослойные нанотрубки с контролем необходимого диаметра посредством температуры. Но указанный метод существенно дороже других.
• Химическое осаждение из газовой фазы. Данный метод предполагает подготовку подложки со слоем катализатора – это могут быть частицы железа, кобальта, никеля или их комбинаций. Диаметр нанотрубок, выращенных указанным способом, будет зависеть от размера используемых частиц. Подложка нагревается до 700 градусов. Для инициации роста нанотрубок вводятся в реактор углеродосодержащий газ и технологический газ (водород, азот или аммиак). Нанотрубки растут на участках катализаторов из металла.

Применения и особенности

• Применения в фотонике и оптике. Подбирая диаметр нанотрубок можно обеспечить оптическое поглощение в большом спектральном диапазоне. Однослойные углеродные нанотрубки проявляют сильную нелинейность насыщающегося поглощения, то есть при достаточно интенсивном свете они становятся прозрачными. Поэтому они могут применяться для разных приложений в области фотоники, к примеру, в маршрутизаторах и коммутаторах, для создания ультракоротких лазерных импульсов и регенерации оптических сигналов.
• Применение в электронике. На данный момент заявлено множество способов использования нанотрубок в электронике, однако реализовать удается лишь небольшую ее часть. Наибольший интерес вызывает применение нанотрубок в прозрачных проводниках в качестве термоустойчивого межфазного материала.

Актуальность попыток внедрения нанотрубок в электронике вызвано необходимостью замены индия в теплоотводах, которые применяются в транзисторах большой мощности, графических процессорах и центральных процессорах, ведь запасы этого материала уменьшаются, а цена на него растет.

• Создание сенсоров. Углеродные нанотрубки для сенсоров – одно из наиболее интересных решений. Ультратонкие пленки из одностенных нанотрубок на данный момент могут стать наиболее лучшей основой для электронных сенсоров. Производить их можно с применением разных методов.
• Создание биочипов, биосенсоров, контроля адресной доставки и действия лекарств в биотехнологической отрасли. Работы в данном направлении сегодня вовсю ведутся. Высокопроизводительный анализ, выполняемый с использованием нанотехнологий, позволит существенно уменьшить время, которое нужно для вывода технологии на рынок.
• Сегодня резко растет производство нанокомпозитов, в основном полимерных. При введении в них даже небольшого количества углеродных нанотрубок обеспечивается существенное изменение свойств полимеров. Так у них повышается термическая и химическая устойчивость, теплопроводность, электропроводность, улучшаются механические характеристики. Усовершенствованы десятки материалов при помощи добавления в них углеродных нанотрубок;

— композитные волокна на основе полимеров с нанотрубками;
— керамические композиты с добавками. Увеличивается трещиностойкость керамики, появляется защита электромагнитного излучения, увеличивается электро- и теплопроводность;
— бетон с нанотрубками – повышается марка, прочность, трещиностойкость, уменьшается усадка;
— металлические композиты. Особенно медные композиты, у которых механические свойства в несколько раз выше, чем у обычной меди;
— гибридные композиты, в которых содержатся сразу три компонента: неорганические или полимерные волокна (ткани), связующее вещество и нанотрубки.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств углеродных нанотрубок можно отметить:

• Множество уникальных и по-настоящему полезных свойств, которые можно применять в области внедрения энергоэффективных решений, фотоники, электроники, и иных приложений.
• Это наноматериал, который обладает высоким коэффициентом прочности, превосходной тепло- и электропроводностью, огнестойкостью.
• Улучшение свойств других материалов при внедрении в них небольшого количества углеродных нанотрубок.
• Углеродные нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект, то есть они могут втягивать в себя расплавленные металлы и иные жидкие вещества;
• Нанотрубки сочетают в себе свойства твердого тела и молекул, что открывает значительные перспективы.

Среди недостатков углеродных нанотрубок можно отметить:

• Углеродные нанотрубки на данный момент не производятся в промышленных масштабах, поэтому их серийное применение ограничено.
• Стоимость производства углеродных нанотрубок высока, что также ограничивает их применение. Тем не менее, ученные усиленно работают над снижением себестоимости их производства.
• Необходимость совершенствования технологий производства для создания углеродных нанотрубок с точно заданными свойствами.

Перспективы

В ближайшем будущем углеродные нанотрубки будут применяться повсеместно, из них будут создаваться:

• Нановесы, композитные материалы, сверхпрочные нити.
• Топливные элементы, прозрачные проводящие поверхности, нанопровода, транзисторы.
• Новейшие нейрокомпьютерные разработки.
• Дисплеи, светодиоды.
• Устройства для хранения металлов и газов, капсулы для активных молекул, нанопипетки.
• Медицинские нанороботы для доставки лекарств и проведения операций.
• Миниатюрные датчики с ультравысокой чувствительностью. Такие нанодатчики могут найти применение в биотехнологических, медицинских и военных применениях.
• Трос для космического лифта.
• Плоские прозрачные громкоговорители.
• Искусственные мышцы. В будущем появятся киборги, роботы, инвалиды будут возвращаться к полноценной жизни.
• Двигатели и генераторы энергии.
• Умная, легкая и комфортная одежда, которая будет защищать от любых невзгод.
• Безопасные суперконденсаторы с быстрой зарядкой.

Все это в будущем, ведь промышленные технологии создания и использования углеродных нанотрубок находятся на начальном этапе развития, а цена их крайне дорога. Но российские ученые уже заявили, что они нашли способ снизить стоимость создания этого материала в двести раз. Эта уникальная технология производства углеродных нанотрубок на данный момент держится в секрете, но она должна произвести революцию в промышленности и во многих иных областях.

Похожие темы:

• Графен. Устройство и применение. Особенности и перспективы
• Метаматериалы. Виды и устройство. Работа и применение
• Неодимовые магниты. Устройство и применение. Виды
• Суперконденсаторы. Устройство и применение. Виды и работа
• Свойства полупроводников. Устройство и работа. Применение
• Аэрогель. Виды и применение. Плюсы и минусы. Особенности
• Пьезоэлектрики. Виды и применения. Особенности
• Электроактивные полимеры. Виды и применение. Особенности
• Сверхпроводники. Температурная гонка и применение. Ниобаты

Одностенные углеродные нанотрубки – дешевые трубки

Свойства
Структура
Различия между одностенными и многослойными УНТ
Применение
Дисперсия
Цена
Синтез

В последнее время у них так много интереса к свойствам одностенных углеродных нанотрубок, которые имеют свойства одностенных углеродных нанотрубок. уникальные физические свойства и структуры, электронные, оптические, тепловые и механические свойства.

Одиночный слой атомов углерода удерживается вместе в трубчатой ​​структуре за счет гибридных sp2-химических связей.

В зависимости от хирального угла формы трубки они считаются полупроводниковыми или металлическими по своей природе.

ОУНТ инертны и могут использоваться для улучшения механических и проводящих свойств других материалов.

Дисперсию одностенных углеродных нанотрубок обычно получают с помощью ультразвукового зонда с низкой амплитудой, и для стабилизации дисперсии может потребоваться использование поверхностно-активных веществ или высокофункционализированных ОСНТ. Мы используем ультразвуковой зонд мощностью 750 Вт, включаем и выключаем его каждые 30 секунд, чтобы предотвратить повреждение ОУНТ, и регулируем амплитуду звуковой волны примерно до 27%.

Типы одностенных углеродных нанотрубок

Физические свойства

Уникальные физические свойства одностенных углеродных нанотрубок обусловлены их одномерным размером, формой, высоким соотношением сторон и sp2-гибридизированными атомами углерода, расположенными в структуре, напоминающей полую трубку. Они состоят из одной трубки атомов углерода, расположенных в виде шестиугольника с 5- и 6-членными кольцами. Существуют различные типы ОСНТ, потому что графитовые листы могут быть выращены под разными углами хиральности во время синтеза. Истинные SWCNT имеют внешний диаметр 0,7–1,2 нм и длину от 0,5 до 30 мкм. Более длинные доступны в виде массива до 500 мкм.

Структура Структурные модели одностенных углеродных нанотрубок

Одностенные углеродные нанотрубки имеют три типа структур: зигзаг, кресло и хиральную. Можно распознать зигзагообразные, «кресельные» и хиральные нанотрубки, просто проследив рисунок по диаметру трубок и проанализировав их структуру поперечного сечения, как показано ниже.

Хиральная структура ОУНТ

Электронные свойства

Электронные свойства ОУНТ определяются хиральной структурой, диаметром и длиной. Диаметр в нанометровом диапазоне дает им квантовые эффекты.

Они могут быть проводящими или полупроводниковыми, в зависимости от их хиральности. ОСУНТ являются металлическими, если целые числа в уравнении (1) равны: n=m (структура кресла) и n-m=3i (где i — целое число).

Все остальные структуры являются полупроводниковыми. Их геометрия определяет зонные структуры и ширину запрещенной зоны.

ОУНТ являются важным типом углеродных нанотрубок, поскольку их свойства значительно меняются при различных значениях ( n , m ). Ширина запрещенной зоны может варьироваться от нуля до примерно 2 эВ, а их электропроводность может проявлять металлическое или полупроводниковое поведение.

Градиент плотности углеродных нанотрубок

ОУНТ можно разделить по плотности, чтобы можно было отсортировать отдельные ОУНТ по типу.

В отличие от графена ОУНТ являются либо металлическими, либо полупроводниковыми вдоль оси трубки. Для данной ( n , m ) нанотрубки, если n = m , нанотрубка металлическая; если n − m кратно 3 и n ≠ m, а nm ≠ 0, то нанотрубка является полуметаллической с очень малой шириной запрещенной зоны, в противном случае нанотрубка является полупроводниковой. Таким образом, все кресла ( n = m ) нанотрубки — металлические, а нанотрубки (6,4) или (9,1) — полупроводниковые.

молекулярная структура однослойных углеродных нанотрубок

Оптические свойства

ОУНТ можно использовать благодаря их светопоглощающим, флуоресцентным и прозрачным проводящим свойствам.

Известно, что они успешно производят сверхчерные (поглощающие свет) материалы при использовании массива УНТ (отдельные УНТ стоят как лес), потому что свет попадает в ловушку между отдельными УНТ и не может отражаться обратно к поглощающим свойствам и их длина.

Они обладают регулируемым излучением в ближнем инфракрасном диапазоне, которое реагирует на изменения локальной диэлектрической функции.

SWCNT использовались при очень низких нагрузках 0,03 мас.% для изготовления прозрачных проводящих пленок для дисплеев и солнечных элементов для замены оксида индия-олова (ITO), который имеет ограниченные глобальные ресурсы.

Тепловые свойства

Известно, что углеродные нанотрубки являются эффективными теплопроводниками. Они проводят тепло вдоль оси трубы, демонстрируя баллистическую проводимость. Они считаются изоляторами для тепла, перемещающегося в поперечном направлении вдоль оси нанотрубки. Отдельные ОСНТ имеют теплопроводность при комнатной температуре около 3500 Вт·м 9 .0079 −1 ·K ^−1, по оси, что во много раз выше, чем у меди 385 Вт·м ⁻¹ ·K ⁻¹ .

Отдельные ОСНТ имеют теплопроводность по оси (в радиальном направлении) около 1,52 Вт·м ⁻¹ ·K ⁻¹  при комнатной температуре.

Структурные дефекты сильно влияют на тепловые свойства ОУНТ. Такие дефекты приводят к рассеянию фононов, снижая теплопроводность структур из нанотрубок.

Механические свойства

SWNT являются одним из самых прочных и жестких материалов, обнаруженных в настоящее время. Они физически прочны и механически гибки, что делает их отличными добавками к волокнам. Их легендарная прочность обусловлена ​​ковалентными связями sp ² , образующимися между отдельными атомами углерода в их структуре. Нагрузку несут ОУНТ по периметру каждой веревки. Некоторые исследования показали, что они имеют среднюю прочность на разрыв от 13 до 52 ГПа, в среднем 30 ГПа. Средний модуль Юнга колеблется от 320 до 1470 ГПа, в среднем 1002 ГПа.

Они очень стойкие. При сгибании они сгибаются, но не ломаются. На самом деле, их можно легко выпрямить без какого-либо ущерба для их физической структуры. Их теоретический модуль Юнга колеблется в пределах 1,28–1,8 ТПа (терапаскалей). Терапаскаль — это давление, примерно на семь порядков превышающее атмосферное давление. Модуль Юнга стали составляет 0,21 ТПа, поэтому говорят, что они молекулярно прочнее стали при 1/6 веса.

Чтобы узнать больше о свойствах и приложениях SWCNT. Пожалуйста, посетите нашу страницу CNT Properties & Applications.

В чем разница между одностенными и многослойными углеродными нанотрубками?

SWCNT имеет только одну стенку. Настоящие SWCNT обычно изготавливаются методами HIPCO или Arc. CCVD SWNT обычно содержат около 50% DWNT. По этой причине мы называем наши CVD SWNT смесью SW/DWNT. Многослойные углеродные нанотрубки представляют собой трубки внутри других трубок, как показано на изображении ниже. МУНТ могут иметь различную хиральную структуру в пределах одной и той же УНТ.

Разница между одностенными и многослойными углеродными нанотрубками

Области применения

Применение одностенных углеродных нанотрубок включает усовершенствованные электроды, накопление энергии, проводящие пленки и покрытия (включая прозрачные проводящие покрытия), солнечную энергию, носимую электронику, материалы с тепловым интерфейсом, конструкционные материалы, подложки для катализаторов, биомедицинские и сенсорные приложения.

ОУНТ применялись в качестве основного строительного блока этих систем, электрического провода. Наноразмерный диаметр и полностью наноуглеродная структура делают их отличными проводниками.

Их электро- и теплопроводность в сочетании с превосходными механическими свойствами делают их идеальными кандидатами для передовых материалов.

Узнайте больше о приложениях SWCNT здесь.

Дисперсия

Присутствующие силы Ван-дер-Ваальса делают их склонными к агломерации и ограничивают их успешное использование в определенных приложениях. При работе с ОУНТ в виде порошка критически важно добиться их хорошей дисперсии, деагломерации и распутывания в максимально возможной степени.

Хотя в большинстве случаев они остаются несколько запутанными, при правильном распределении их можно достаточно освободить друг от друга, чтобы реализовать невероятную производительность, открывающую их успешные приложения.

Обычно их диспергируют с помощью ультразвукового зонда с низкой амплитудой, чтобы передать волну непосредственно в растворитель, содержащий УНТ. Высокие сдвиговые усилия также можно использовать для диспергирования ОУНТ, и смесители Silverson L5M популярны.

Обычно дисперсии необходимо стабилизировать, если только УНТ не растворяются в выбранном растворителе/матрице. Многие типы поверхностно-активных веществ использовались и работают с разной степенью успеха. Обычно используемые растворители включают диводу, N-метил-2-пирролидон (NMP) и диметилформамид (DMF). Они также могут быть диспергированы в спиртах и ​​полимерах.

Полимерная оболочка ОУНТ часто используется для обеспечения дисперсии в водной и других средах. Некоторые успешные диспергаторы включают олигонуклеотиды, хитозаны, целлюлозу, ионные жидкие холаты, лигнины, пептиды и органосульфатные поверхностно-активные вещества.

Наша дочерняя компания CTI Materials LLC недавно получила патент на дисперсии наночастиц без поверхностно-активных веществ с использованием полезных наноматериалов. Они назвали эти продукты Flexiphene, и они доступны на обоих веб-сайтах. Было показано, что флексифен образует коллоидные дисперсии в ди-воде с образцами размером -70 ev с помощью динамического рассеяния света (DLS) 9дней после рассеивания.

Спектроскопия оптического поглощения и флуоресценции также может обеспечить количественную характеристику дисперсий (количество ОУНТ, которые могут быть суспендированы данным поверхностно-активным веществом, и его способность расщеплять ОУНТ) этих суспензий. Дезоксихолат натрия (SDOCO), олигонуклеотиды (GT)15, (GT)10, (AC)15, (AC)10, C10-30 и карбоксиметилцеллюлоза (CMC-250K) продемонстрировали суспензии самого высокого качества из различных обертывающих полимеров. учился в этой работе.

Цена

Цена на наши однослойные углеродные нанотрубки колеблется от 75 до 300 долларов США/г в зависимости от чистоты, длины и функциональности поверхности.

Публикации с использованием ОУНТ от Cheap Tubes Inc.

Удаление бисфенола А из свалочного фильтрата с использованием ОУНТ

Транспорт ОУНТ в пористой среде: механизмы фильтрации и обратимость -инициированная полимеризация с раскрытием цикла N-карбоксиангидрида

Синтез

ОУНТ выращивают дуговым методом, гипко, лазерным методом и методами химического осаждения из паровой фазы.

Дуговой и лазерный метод обеспечивает высокое качество и в основном одностенный продукт, смешанный с другими видами, однако их использование в коммерческих целях является непомерно дорогим.

Химическое осаждение из паровой фазы дает очень хорошие одностенные углеродные нанотрубки, является масштабируемым и экономически эффективным, однако всегда присутствует значительное количество двустенных нанотрубок.

По этой причине мы называем наши CVD SWNT смесью однослойных и двустенных углеродных нанотрубок.

Более подробно о синтезе углеродных нанотрубок см. на странице «История УНТ и методы производства».

Одностенные углеродные нанотрубки Спектры комбинационного рассеяния

Спектры комбинационного рассеяния ОУНТ представлены ниже, пики ниже 300 называются модой радиального дыхания и указывают на присутствие ОУНТ.

Single Walled Carbon Nanotubes 90% Raman Spectra

Single Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs) — Nanografi Blog графит, имеющий цилиндрическую форму.

SWCNT очень важны потому что они обладают определенными свойствами, которых нет у других нанотрубок. Эти свойства позволили создавать интересные приложения в различных сектора. В этой статье речь пойдет о структуре, свойствах и замечательных свойства ОУНТ.

Конструкция одностенная Углеродные нанотрубки

Центральная часть трубки образуется за счет sp ² гибридизации атомов углерода, а концы образованы определенным распределением пятиугольных и шестиугольных кольца, которые придают правильную кривизну и позволяют закрывать графитовый цилиндр.

Одностенные углеродные нанотрубки имеют диаметр от 0,7 до 10 нм (обычно менее 2 нм) и длиной в диапазоне от нескольких нм до нескольких мкм. Следовательно, SWCNT имеют большую длину/диаметр. соотношение и по этой причине их можно считать «почти» одномерные структуры. Это придает этим видам своеобразные свойства.

ОУНТ могут отличаются друг от друга из-за расположения ароматических колец (графен решетки) относительно их центральной оси. Иными словами, они различаются по способ, которым свернута плоскость графита.

Свойства Одностенные углеродные нанотрубки

Проводимость свойства ОУНТ изучаются, в частности, потому, что при определенных условиях они ведут себя как баллистические проводники, в этом состоянии нет рассеяние электронов, проходящих через нанотрубку, и, следовательно, имеет место проведение.

Механический Стойкость одностенных углеродных нанотрубок зависит от многих особенностей, наиболее существенным из которых является прочность атом-атомных связей основных материал и отсутствие структурных дефектов в решетке. Наличие дефекты играют важную роль в процедурах разрыва тягой, поскольку чтобы разбить полностью бездефектный образец, необходимо перегрузить силы сцепления всей поверхности перпендикулярно направлению тяги. В действительности наличие дефектов значительно снижает усилие, необходимое для разбить образец.

Было задумано что теоретический модуль Юнга из однослойных углеродных нанотрубок может достичь до 4 ТПа, а его предел прочности должен быть около 220 ГПа (100 раз больше, чем у стали, и в 6 раз меньше по весу).

А механический деформация может существенно изменить электрическое поведение ОУНТ.

Тепловизор проводимость ОУНТ определяется фононами, которые легко распространяются вдоль трубка; вот почему Одностенные углеродные нанотрубки являются хорошими теплопроводниками и хорошими изоляторами.

Аспирант Массачусетского технологического института вырастил миллионы углеродных нанотрубок   и погрузил их в направляющую жидкость. После того, как он был высушен, рисунок УНТ превратился в «BOO».

7 Применение ОУНТ

Одностенные углеродные нанотрубки предлагают множество применений в различных секторах 90–180 , 7 из которых обсуждаются ниже:

1. Газопоглощение и капиллярность однослойных углеродных нанотрубок

трубчатой ​​формы, ОУНТ демонстрируют замечательные капиллярные свойства, а их большие Соотношение поверхность/масса делает их теоретически идеальными для адсорбции газа.

2. ОУНТ в акустике

Некоторые исследователи, пытаясь создать новый, более чувствительный микрофон, пытался подражать природе. Поэтому было разработано устройство, которое можно определяется как «Искусственная улитка». В этом аппарате нанотрубка векторы используются в качестве волосковых клеток нашей слуховой системы. Их движение и поэтому их колебания из-за воздействия звуковых волн трансформируются в электрические сигналы.

Нанотрубки также имеют естественную направленность и отклоняются от источника звука, так что вы может получать информацию о направлении только с одним датчиком, в отличие от обычных устройств или слуховая система человека, которая обязательно нуждается в двух ушах, и есть возможность нанотрубок для работы в воздухе. в отличие от других элементов.

То же технология может быть использована в военных целях (конструкция датчиков для перехвата подводных лодок) или для медицинского применения (новые стетоскопы, которые могут ориентироваться в кровотоке и распознавать биохимические действия, которые не могут быть обнаружено иное).

3. ОУНТ в литии батареи

Обычный литиевый батареи прослужат в два раза дольше, если использовать обычные графитовые электроды. заменены электродами из углеродных нанотрубок. На самом деле, многочисленные исследования показали что они способны хранить ион лития на каждые три атома углерода, в отличие от графита, который хранит один на каждые шесть атомов углерода.

4. ОУНТ в углероде монитор с нанотрубками

SWCNT инертны и может быть более стабильным и практичным, чем обычные источники ввода электронов (металлические или неорганические), чтобы стимулировать испускание цветного света на тонких панели. В реальных устройствах остаточные газы могут быть ионизированы, а образовавшиеся ионы может бомбардировать кончик эмиттера электронов, делая его менее эффективным. ОУНТ, с другой стороны, противостоять этому типу явлений: таким образом можно будет имеют гораздо более прочные плоские мониторы.

5. ОУНТ для катодов в Рентгеновское оборудование

Углеродные нанотрубки могут заменить металлические нити, используемые в традиционном рентгеновском оборудовании, которое должно обязательно доводить до высоких температур перед тем, как подвергнуть электрическое поле. Потенциальные преимущества такой замены многочисленны: нанотрубки могут работать при комнатной температуре; машины могут быть изготовлены меньше и даже портативный; они могут быть более эффективными и менее дорогими.

6. ОУНТ в качестве антибактериального нанотрубки

Класс А ОУНТ было обнаружено, что их можно использовать в качестве лекарств для борьбы с некоторыми бактериальными инфекции, которые выработали некоторую устойчивость к традиционным антибактериальным препаратам.