Свойства нанотрубок. Углеродные нанотрубки: уникальные свойства и перспективные применения наноматериала будущего

Что такое углеродные нанотрубки. Каковы основные типы и свойства нанотрубок. Как были открыты углеродные нанотрубки. Где применяются нанотрубки в современных технологиях. Какие перспективы открывают нанотрубки для будущего.

Что представляют собой углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) — это цилиндрические молекулы, состоящие из свернутых в трубку графеновых листов. Они обладают уникальным сочетанием механических, электрических и тепловых свойств, что делает их одним из самых перспективных наноматериалов.

Основные характеристики углеродных нанотрубок:

• Диаметр — от 1 до 100 нм
• Длина — до нескольких сантиметров
• Отношение длины к диаметру может достигать 132 000 000:1
• Состоят из атомов углерода, соединенных в шестиугольники
• Могут быть одностенными или многостенными

Благодаря своей уникальной структуре, нанотрубки обладают исключительной прочностью, электро- и теплопроводностью, а также другими необычными свойствами, которые делают их крайне привлекательными для различных применений.

История открытия углеродных нанотрубок

Хотя первые наблюдения трубчатых наноструктур углерода были сделаны еще в 1950-х годах, официальное открытие углеродных нанотрубок произошло в 1991 году. Вот основные вехи в истории этого открытия:

• 1952 г. — советские ученые Л.В. Радушкевич и В.М. Лукьянович опубликовали первые четкие изображения углеродных нанотрубок
• 1976 г. — Эндо, Обердорфер и Комер независимо друг от друга сообщили о наблюдении полых углеродных волокон нанометрового диаметра
• 1979 г. — Джон Абрахамсон представил доказательства существования углеродных нанотрубок
• 1991 г. — Сумио Иидзима опубликовал статью в журнале Nature о многостенных углеродных нанотрубках, что считается официальным открытием
• 1993 г. — Одновременно обнаружены одностенные нанотрубки группами Иидзимы и Дональда Бетуна

Именно работа Иидзимы в 1991 году привлекла широкое внимание научного сообщества к углеродным нанотрубкам и дала толчок интенсивным исследованиям в этой области.

Основные типы углеродных нанотрубок

Существует два основных типа углеродных нанотрубок:

Одностенные нанотрубки (ОСНТ)

Одностенные нанотрубки состоят из одного свернутого листа графена. Их основные характеристики:

• Диаметр 0.4-2 нм
• Длина до нескольких микрометров
• Могут проявлять металлические или полупроводниковые свойства
• Высокая удельная поверхность

Многостенные нанотрубки (МСНТ)

Многостенные нанотрубки состоят из нескольких концентрических одностенных нанотрубок. Их свойства:

• Внешний диаметр 2-100 нм
• Внутренний диаметр 1-3 нм
• Длина до нескольких десятков микрометров
• Более высокая прочность по сравнению с ОСНТ
• Лучшая электропроводность

Выбор типа нанотрубок зависит от конкретного применения. ОСНТ лучше подходят для электроники, а МСНТ — для конструкционных материалов.

Уникальные свойства углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки обладают рядом выдающихся свойств, которые делают их крайне перспективными для различных применений:

Механические свойства

• Прочность на растяжение до 100 ГПа (в 100 раз выше, чем у стали)
• Модуль Юнга около 1-1.4 ТПа
• Высокая гибкость и эластичность
• Низкая плотность (1.3-1.4 г/см³)

Электрические свойства

• Высокая электропроводность (до 1000 раз выше, чем у меди)
• Могут быть как металлическими, так и полупроводниковыми
• Способность выдерживать высокую плотность тока (до 10⁹ А/см²)

Тепловые свойства

• Теплопроводность вдоль оси до 3500 Вт/(м·К) (выше, чем у алмаза)
• Термическая стабильность до 2800°C в вакууме

Оптические свойства

• Сильное поглощение в широком диапазоне длин волн
• Фотолюминесценция
• Нелинейные оптические свойства

Эта уникальная комбинация свойств открывает широкие возможности для применения углеродных нанотрубок в различных областях.

Перспективные области применения углеродных нанотрубок

Благодаря своим выдающимся свойствам, углеродные нанотрубки находят применение во многих областях:

Электроника

• Транзисторы и логические схемы
• Прозрачные проводящие пленки
• Суперконденсаторы и аккумуляторы
• Эмиттеры для дисплеев

Композитные материалы

• Усиление полимеров и металлов
• Антистатические покрытия
• Теплопроводящие композиты
• Легкие и прочные конструкционные материалы

Сенсоры и актуаторы

• Газовые сенсоры
• Биосенсоры
• Наномеханические устройства

Энергетика

• Солнечные элементы
• Топливные элементы
• Хранение водорода

Медицина

• Адресная доставка лекарств
• Тканевая инженерия
• Биоимиджинг
• Антибактериальные покрытия

Это лишь некоторые из множества потенциальных применений углеродных нанотрубок. По мере развития технологий их производства и модификации, спектр применений будет только расширяться.

Проблемы и перспективы развития технологий углеродных нанотрубок

Несмотря на огромный потенциал, существует ряд проблем, препятствующих широкому внедрению углеродных нанотрубок:

• Высокая стоимость производства
• Сложность получения нанотрубок с заданными свойствами
• Проблемы с масштабированием производства
• Потенциальные риски для здоровья и окружающей среды
• Технологические сложности интеграции в существующие производства

Однако исследования в области углеродных нанотрубок продолжают активно развиваться. Основные направления включают:

• Разработку новых методов синтеза
• Улучшение методов очистки и сортировки нанотрубок
• Создание гибридных материалов на основе УНТ
• Исследование новых областей применения
• Изучение влияния нанотрубок на здоровье и экологию

По мере решения этих проблем, углеродные нанотрубки имеют все шансы стать одним из ключевых материалов 21 века, способных произвести революцию во многих областях технологий.

Заключение

Углеродные нанотрубки — это уникальный наноматериал, обладающий исключительным сочетанием свойств. Их открытие открыло новую главу в материаловедении и нанотехнологиях. Несмотря на существующие проблемы, потенциал применения УНТ огромен — от электроники и композитных материалов до медицины и энергетики.

Продолжающиеся исследования и разработки в области углеродных нанотрубок постепенно преодолевают существующие ограничения, приближая эру широкого практического применения этого удивительного материала. Углеродные нанотрубки могут стать ключом к решению многих технологических проблем современности и основой для создания принципиально новых материалов и устройств будущего.

Южноуральские ученые проводят уникальные исследования, моделируя свойства нанотрубок

Размер шрифта

Межбуквенный интервал

Семейство шрифтов

1. Новость
2. 2017
3. июня
4. 15
5. Южноуральские ученые проводят уникальные исследования, моделируя свойства нанотрубок

15.06.2017

 

Несмотря на интенсивное исследование углеродных нанотрубок на протяжении последних десятилетий, интерес к ним не ослабевает ни у экспериментаторов, ни у теоретиков. Со временем лишь усложняются задачи, решения которых становятся доступны лишь профессиональным исследователям. Доцент кафедры ЮУрГУ

Сергей Созыкин изучает углеродные нанотрубки, применяя к ним различные методы моделирования.

Доцент кафедры «Компьютерное моделирования и нанотехнологии» Института Естественных и точных наук Сергей Созыкин, кандидат физико-математических наук, с проектом «Моделирование электронных и оптических свойств углеродных нанотрубок» стал одним из победителей конкурса «Поддержка молодой науки», который проходил в ЮУрГУ в конце 2016 года в рамках Проекта 5-100.

«Данная тема, несомненно, очень актуальна, так как область применения нанотрубок очень широка. Это связано с тем, что благодаря каркасной молекулярной структуре их свойства выгодно отличаются от других аллотропных модификаций углерода: алмаза и графита. Углеродные нанотрубки очень прочные, обладают высокой электро- и теплопроводностью, способны выдерживать большие растяжения и изгибы. Именно благодаря сочетанию такого большого числа уникальных свойств углеродные нанотрубки позволяют улучшать свойства существующих материалов и конструировать принципиально новые».

Одним из самых простых примеров использования углеродных нанотрубок является упрочнение материалов. Это неудивительно, ведь молекулярная решётка углеродных соединений обладает невероятной прочностью. При этом масса изделий из-за малой плотности нанотрубок уменьшается. Более значительными могут оказаться устройства, использующие уникальные электрические и оптические свойства углеродных нанотрубок.

«Сегодня активно исследуются оптические свойства углеродных нанотрубок, взаимодействующих с матрицами различной природы или адсорбированными комплексами. Экспериментальное определение свойств таких материалов, как правило, стоит дорого, а в некоторых случаях принципиально невозможно. Именно для решения таких задач мы используем методы компьютерного моделирования».

При моделировании объектов, которые плохо изучены экспериментально, ученым необходимо использовать методы, не требующие подгоночных параметров. Одним из них является теория функционала электронной плотности, реализованная во множестве платных и свободно распространяемых программных пакетов.

«К сожалению, мощности персональных компьютеров недостаточно для исследования реалистичных моделей перспективных материалов. Нашим конкурентным преимуществом является доступ к суперкомпьютеру «Торнадо», который дает возможность научным сотрудникам ЮУрГУ решать задачи мирового уровня».

Научные коллективы ЮУрГУ имеют большой опыт использования суперкомпьютерных технологий для решения фундаментальных и прикладных задач. Их конкурентоспособность подтверждается в том числе и тем, что сотрудники ЮУрГУ регулярно становятся победителями конкурсов грантов федерального уровня.

«На первый взгляд компьютерное моделирование с использованием специализированного программного обеспечения кажется очень простым делом. Нужно лишь задать определенный набор параметров, и программа выдаст результат. На самом деле оказывается, что параметров этих очень много: перебор различных комбинаций может занять так много времени, что результат уже не будет представлять интерес для научной общественности. Оказывается, что для оптимизации этого процесса нужно хорошо знать физику и химию, разбираться в программном коде. Ко всему этому предполагается свободное владение английским языком – языком международного научного сообщества. Для сегодняшних школьников это, наверное, звучит страшновато, но этими компетенциями вполне реально овладеть. Нужно лишь сделать верный выбор при поступлении в университет. Я являюсь выпускником направления Прикладные математика и физика Физического факультета ЮУрГУ.»

К настоящему времени электронная структура бездефектных нанотрубок достаточно хорошо изучена теоретически и экспериментально. Реальные нанотрубки, однако, содержат различные дефекты строения. Именно учет их влияния на свойства нанотрубок и делает проект Сергея Созыкина интересным для научного сообщества.

«Одна из важнейших задач исследователя-теоретика состоит в том, чтобы дать верное предсказание относительно свойств, которые еще не были измерены в эксперименте. Исследование обычно начинается с воспроизведения известных результатов. Это позволяет оценить применимость выбранной методики моделирования к объекту исследования. В моем исследовании таким объектом была бездефектная углеродная нанотрубка (7,7). Убедившись в высокой точности полученных результатов, мы приступили к основной части работы: определению изменений, происходящих в электронной структуре и спектре поглощения нанотрубки при внедрении дефектов одиночной и двойной вакансий, дефекта Стоуна-Велса. Эти результаты новые. Ничего подобного ранее опубликовано в открытой печати не было».

До завершения проекта ученым предстоит решить еще много важных задач, направленных на достижение основной цели, например, получить сведения о способах управления электронными и оптическими свойствами углеродных нанотрубок.  

 

Ольга Романовская, Фото Олега Игошина

Что такое углеродные нанотрубки? | New-Science.ru

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

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

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

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

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

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

Два основных типа углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки могут быть классифицированы на основе их структуры —

Одностенная зигзагообразная углеродная нанотрубка

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

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

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

Многостенные нанотрубки

Кто открыл углеродные нанотрубки?

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

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

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

Как они сделаны?

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

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

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

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

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

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

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

Свойства углеродных нанотрубок

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

Сравнение механических свойств разных материалов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Применение

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

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

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

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

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

Риски для здоровья углеродных нанотрубок

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

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

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

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

Последние исследования

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

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

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

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

Углеродные нанотрубки — определение, типы, свойства и использование

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

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

Свойства углеродных нанотрубок

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

2. Гравитационный вес нанотрубки очень мал.

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

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

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

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

7. Кристаллическая структура углеродных нанотрубок имеет форму правильных шестиугольников.

8. Углеродные нанотрубки эластичны.

9. Углеродные нанотрубки хорошо проводят тепло.

10. Углеродные нанотрубки обладают хорошей электропроводностью.

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

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

Применение углеродных нанотрубок

1. Разрушение опухоли молочной железы:

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

2. Лопасти ветряных мельниц: 

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

3. Фильтрация:

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

4. Углеродные нанотрубки в виде наноцилиндров:

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

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

5. Снижение напряжения в самолетах:

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

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

Типы углеродных нанотрубок

1. Одностенные углеродные нанотрубки

2. Многостенные углеродные нанотрубки

представлен как SWCNT. Одностенные углеродные нанотрубки существуют в одномерной структуре. Некоторыми примерами одностенных УНТ являются «кресло» и «зигзагообразные» одностенные углеродные нанотрубки 9.0003

Свойства одностенных углеродных нанотрубок:

• Диаметр одностенных углеродных нанотрубок составляет 2 нм.

• Длина однослойных углеродных нанотрубок составляет около 2 микрометров.

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

• Электроника может быть миниатюризирована с помощью однослойной углеродной нанотрубки.

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

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

Ниже показано изображение углеродных нанотрубок кресла:

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Изображение зигзагообразных одностенных углеродных нанотрубок показано ниже:

900 02 (Изображение будет загружено в ближайшее время)

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

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

Свойства многостенных углеродных нанотрубок приведены ниже:

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

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

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

Чем углеродные нанотрубки отличаются от углеродных нановолокон?

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

Изображение многослойных углеродных нанотрубок приведено ниже:

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Для чего используются углеродные нанотрубки?

Давайте обсудим использование углеродных нанотрубок по порядку:

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

• Углеродные нанотрубки используются для изготовления пуленепробиваемых курток.

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

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

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

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

Знаете ли вы?

• Углеродные нанотрубки — самый прочный из известных материалов.

• Углеродные нанотрубки обычно считаются невесомым материалом.

• Гибкость материала углеродных нанотрубок очень высока.

Что такое нанотрубки – их определение, свойства и историяMSTnano.com

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

Если вы интересуетесь нанотехнологиями и хотите узнать больше об этих конкретных нанопродуктах, продолжайте чтение.

Эта статья представляет собой комплексный обзор, основной целью которого является 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.

Кроме того, вы познакомитесь с увлекательными подробностями истории открытия нанотрубок, которые заложили основу для совершенно новой области исследований.

 

«Исследования можно проводить в любой среде, если у вас есть интерес. Я считаю, что настоящее образование означает воспитание способности интересоваться чем-либо».

Сумио Иидзима

Что такое нанотрубки – свойства, привлекшие внимание ученых всего мира

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

На самом деле это открытие фуллеренов было абсолютным прорывом. С этого момента химический, физический и материальный миры уже никогда не будут прежними.

Это было в 80-х, вам следует знать, что нанотрубки (также известные как buckytubes) были фактически открыты примерно 30 лет назад, но, к сожалению, в то время они не были полностью оценены.

Давайте подробнее рассмотрим ряд событий, которые в конечном итоге привели к открытию нанотрубок.

 

Краткая история углеродных нанотрубок до их открытия

• 1950-е годы. Три основных события указывали на открытие нанотрубок. Первый случай произошел уже в 1952 г. Радушкевич и Лукьянович опубликовали статью, в которой были показаны полые графитовые углеродные волокна диаметром 50 нм (Советский журнал физической химии). В 1955 трио ученых Хофер, Стерлинг и Маккартни наблюдали рост трубчатых углеродных нитей диаметром 10–200 нм. В 1958 году Хиллерт и Ланге произвели разложение н-гептана на железе при 1000 °C, а также наблюдали рост наноразмерных трубчатых углеродных нитей. При этом он обнаружил неизвестное до того времени углеродное волокно. На самом деле он наблюдал прямые полые трубки из углерода. Эти трубки, казалось, состояли из графитовых слоев углерода. Что было еще более интересно, так это то, что эти слои были разделены тем же расстоянием, что и плоские листы графита 9.0012
• 1970-е. Именно в 1976 году Моринобу Эндо снова наблюдал эти трубки. На этот раз они были получены газофазным процессом (Chemical Vapor Deposition). Он даже мог распознать, что некоторые из этих трубок состояли только из одного слоя свернутого графита
• 1985 — фуллерены были обнаружены Ричардом Смолли, Гарри Крото и Робертом Керлом-младшим в Университете Райса в Техасе. Как уже упоминалось ранее, это был крупный прорыв, заложивший основу для совершенно новой эры науки о нанотехнологиях и значительно расширивший исследования в этой области
•  1991 — Сумио Иидзима, японский исследователь NEC, наблюдал многостенные нанотрубки. Они образовались 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 доходчиво объяснил, что они собой представляют на самом деле. Поэтому ему приписывают открытие, и его часто называют «изобретателем» углеродных нанотрубок. Он, безусловно, выдающаяся фигура, которая заслуживает признания на данный момент.

Кто такой Сумио Иидзима?

Он родился 2 ^и 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 он получил докторскую степень. по физике твердого тела в Университете Тохоку в Сендае.

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

С 1982 по 1987 год он работал в Исследовательской корпорации Японии, где изучал ультрадисперсные частицы. После этого он присоединился к NEC. Он работает там и по сей день.

Его работа и исследования оказали огромное влияние на область материаловедения, нанотехнологий 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 творчество вдохновило весь мир. Благодаря его экспериментам и открытиям стало ясно, что у этих наноматериалов огромный потенциал. Они чрезвычайно малы, но очень прочны и обладают удивительной электропроводностью. Эти открытия вызвали многочисленные исследования, целью которых является изучение их необычных свойств, которые предполагают множество возможных применений.

 

Что такое определение углеродных нанотрубок?

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой группу наноматериалов, образованных 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 гексагональные молекулы графита присоединены по краям.

УНТ являются одним из двух основных семейств фуллеренов. Они стоят между бакиболами, имеющими закрытые оболочки, и графеном, структура которого характеризуется плоскими листами.

Что такое фуллерены?

Фуллерены представляют собой аллотропы углерода. Это означает, что молекула фуллерена состоит из атомов углерода. Эти атомы связаны одинарными или двойными связями. Они могут образовывать закрытую или частично закрытую сетку. Эта сетка образована сплавленными кольцами из 5-7 атомов.

Молекула фуллерена может иметь форму полого шара, эллипсоида и трубки. На самом деле они могут иметь и другие формы и размеры.

 

Нанотехнологии и промышленность наноматериалов

Самым известным фуллереном, безусловно, является бакминстерфуллерен (формула C₆₀). Вы уже знаете, что это был первый обнаруженный фуллерен, и это произошло в 1985 году. Это историческое событие не только заложило основу новой науки о нанотехнологиях, но и положило начало совершенно новой отрасли. Вскоре после этого были получены доказательства существования фуллеренов, и благодаря аппарату Крачмера-Хаффмана в лаборатории были получены первые граммы их количества. Всем хотелось исследовать эту поистине своеобразную молекулу. Спрос на фуллерены в продаже был высоким, несмотря на то, что цена за 1 г могла превышать 1000 долларов. С тех пор многое изменилось. В настоящее время вы можете купить фуллерены высокого качества по очень доступным ценам. Это возможно благодаря передовым технологиям и производственным процессам.

Что такое графен?

Чтобы было совсем понятно, давайте определимся, что такое графен. Как и фуллерен, графен является аллотропом углерода. Его форма представляет собой двумерную гексагональную решетку с одним атомом в каждой вершине. Учитывая его структуру, его можно рассматривать как крайний член семейства фуллеренов.

Графен является основным структурным элементом древесного угля, графита, фуллеренов и углеродных нанотрубок.

 

Основные характеристики углеродных нанотрубок

• Размер – они очень маленькие. На самом деле они обычно имеют ширину всего несколько нанометров. Но их длина — это нечто другое. Только представьте, что он может варьироваться от менее микрометра до нескольких миллиметров
• Концы – могут быть как закрытыми, так и открытыми (чаще закрытыми). Было бы интересно узнать, что в некоторых случаях трубка сужается в диаметре перед закрытием.
• Уникальная молекулярная структура – ​​на основе их структуры мы различаем одностенные и многостенные углеродные нанотрубки. Одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) представляют собой одномерные углеродные наноматериалы. Они состоят из листов графена. Эти листы сворачиваются и образуют полые трубки. Их стенки имеют толщину в один атом. С другой стороны, многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) представляют собой форму углеродных нанотрубок, в которой две или более одностенных нанотрубок вложены одна в другую. Благодаря своей уникальной структуре они обладают совершенно исключительными свойствами, такими как прочность на растяжение, высокая электропроводность, высокая теплопроводность, относительная химическая инертность и высокая пластичность

Несомненно, структура является ключом к раскрытию их полного потенциала. Поэтому в следующих главах вы найдете более подробную информацию как о структуре, так и о конкретных свойствах.

Обзор свойств углеродных нанотрубок — механических и электрических

Ричард Смолли однажды сказал: «Эти нанотрубки настолько красивы, что должны быть для чего-то полезны».

Безусловно, они обладают уникальным набором свойств, которые являются предметом интенсивных исследований.

 

Механические свойства углеродных нанотрубок – прочность и эластичность

Учитывая их прочность на растяжение и модуль упругости, УНТ являются самыми прочными и жесткими материалами, которые были открыты до сих пор.

Конечно, во многом это связано с их исключительной структурой. Если вы посмотрите на модель нанотрубок, вы заметите, что атомы углерода одного графенового листа графита создают сотовую решетку. Каждый атом этой решетки связан с тремя соседними атомами сильной химической связью. Вот почему модуль упругости графита в базисной плоскости является одним из самых больших среди всех известных материалов. Это уже что-то и становится еще интереснее.

SWCNT на самом деле более жесткие, чем сталь, и они также очень устойчивы к повреждениям, вызванным физическими силами. Поэтому ученые ожидают, что они станут лучшими высокопрочными волокнами.

Испытание под давлением

Если на кончик нанотрубки оказывается давление, оно изгибается, но кончик не повреждается при таком воздействии. Более того, как только прижимные усилия будут устранены, наконечник вернется в исходное состояние.

 

Сила

Источником их прочности являются ковалентные связи sp², которые присутствуют между отдельными атомами углерода. Были также многочисленные эксперименты, целью которых было измерение их прочности на растяжение.

• В 2000 году ученые испытали МУНТ, и в результате их прочность на разрыв составила 63 гигапаскаля. Что это значит? В основном это их способность выдерживать натяжение веса, эквивалентного 6422 кгс, на кабель сечением 1 мм²
• В 2008 году было проведено дальнейшее исследование их силы. Это исследование показало, что отдельные оболочки УНТ на самом деле имеют прочность до 100 гигапаскалей

Но важно отметить, что, несмотря на то, что прочность отдельных оболочек УНТ чрезвычайно высока, сдвиговые взаимодействия между соседними оболочками и трубками слабые. Поэтому эффективная прочность МУНТ, а также пучков углеродных нанотрубок значительно снижается до нескольких гигапаскалей.

Применение облучения высокоэнергетическими электронами, прошедшими через внутренние оболочки и трубки, эффективно увеличивает прочность этих материалов (для пучков двустенных углеродных нанотрубок до 17 ГПа и для МУНТ до 60 ГПа).

Это тоже полезно знать

Однако, если УНТ сжаты, они не так прочны. На самом деле они склонны к деформации. В науке это в основном состояние нестабильности, которое приводит к разрушению конструкции. Это происходит из-за их высокого соотношения сторон и полой структуры. Таким образом, если они подвергаются сжатию, изгибу или кручению, может произойти коробление под напряжением.

Если МУНТ ломаются, их самые внешние слои разрушаются первыми.

 

Электропроводность

Во-первых, УНТ являются либо металлическими, либо полупроводниковыми вдоль оси трубки.

Для данной углеродной нанотрубки с определенной комбинацией n и m (n и m — структурные параметры, которые указывают, насколько сильно скручена нанотрубка):

• Если n = m, нанотрубка металлическая
• Если n – m кратно 3 и n ≠ m и nm ≠ 0, это означает, что нанотрубка является квазиметаллической. В таком случае существует очень маленькая ширина запрещенной зоны
• В любом другом случае УНТ является умеренным полупроводником.

 

Могут ли они быть полуметаллическими?

Если вас интересует, почему углеродные нанотрубки не являются полуметаллическими, то причиной этого является их точка вырождения (точка вырождения — это место, где π-связывающая полоса встречается с π*-разрыхляющей полосой. При этом энергия падает до нуля). точка).

Их точка вырождения немного смещена от точки K в зоне Бриллюэна (Зона Бриллюэна — важное понятие в физике твердого тела. Это особый выбор элементарной ячейки обратной решетки.)

Этот небольшой сдвиг происходит из-за кривизны поверхности трубки и является причиной гибридизации между σ* и π* антисвязывающими полосами. Это приводит к изменению дисперсии полос.

Самые проводящие известные углеродные волокна

Они измерили проводимость и удельное сопротивление одностенных углеродных нанотрубок, поместив электроды в разные места углеродных нанотрубок. Они выяснили, что удельное сопротивление веревок из SWCNT составляет 10 9 .0287 –4 Ом-см при 27 °С.

Другими словами, это означает, что веревки из одностенных углеродных нанотрубок являются наиболее проводящими углеродными волокнами, известными человеку.

С учетом плотности тока удалось достичь 10⁷ А/см². Но теоретически веревки SWCNT должны выдерживать стабильную плотность тока до 10¹³ А/см².

 

Другие интересные факты

Было бы также полезно узнать, что сообщалось о дефектах ОУНТ. Но благодаря этим дефектам ОУНТ могут работать как транзисторы.

Как это могло работать? Транзисторное устройство может быть сформировано путем соединения УНТ вместе. Более того, нанотрубка, где есть естественный переход (хиральный полупроводниковый участок соединен с прямым металлическим участком), фактически ведет себя как выпрямительный диод, что фактически означает наличие полутранзистора в одной молекуле.

 

Американский физик Пол МакЮэн подтверждает, что: « Углеродные нанотрубки удивительны, потому что они действительно хорошие электрические проводники, хотя их диаметр составляет всего несколько атомов. Из них можно делать транзисторы так же, как из кремния. В Беркли мы сделали самое узкое устройство из когда-либо созданных. По сути, это была одна молекула».

 

Недавно было объявлено, что SWCNT могут передавать электрический сигнал на высоких скоростях, вплоть до 10 ГГц. Это применимо при использовании в качестве межсоединений на полупроводниковых устройствах.

Тепловые и оптические свойства нанотрубок

Список их необычных свойств еще не закончен. УНТ также являются отличными теплопроводниками и обладают очень полезными оптическими свойствами.

 

Теплопроводность и расширение

Ну, это что-то действительно захватывающее. Недавние исследования и исследования (Университет Пенсильвании) показывают, что углеродные нанотрубки могут быть лучшим теплопроводным материалом в мире.

Их исключительные тепловые свойства возможны благодаря их уникальной структуре и небольшому размеру.

 

Углеродные нанотрубки обладают баллистической проводимостью. Это термин, известный в мезоскопической физике. Баллистическая проводимость на самом деле является переносом носителей заряда в среде, где средой обычно являются электроны. Электроны обладают незначительным электрическим сопротивлением, которое обусловлено рассеянием. Если бы не было рассеяния, электроны вели бы себя согласно второму закону Ньютона на нерелятивистских скоростях.

 

Отдельная одностенная углеродная нанотрубка имеет теплопроводность при комнатной температуре примерно 3500 Вт·м ⁻¹ ·K ⁻¹ (вдоль ее оси). Например, медь, хорошо известная своей очень хорошей теплопроводностью, пропускает 385 Вт·м 90 287 -1 90 288 ·К 90 287 -1 90 288 .

Вы также должны знать, что если теплопроводность при комнатной температуре измеряется поперек оси, она составляет около 1,52 Вт·м ⁻¹ ·K ⁻¹ . Это означает, что они обладают почти такой же теплопроводностью, как и грунт.

 

Более того, сверхмалые одностенные углеродные нанотрубки обладают сверхпроводимостью ниже 20 К, что соответствует –253,15 °C.

 

Все это возможно благодаря их очень прочным графитовым связям С-С в одной плоскости. Эти связи делают их необычайно устойчивыми к осевым деформациям. Существует огромное межплоскостное расширение, но почти нулевое тепловое расширение в плоскости. Это указывает на сильное сцепление в плоскости, а также на высокую гибкость по отношению к неаксиальным деформациям.

Эти исключительные тепловые свойства предполагают множество возможных применений, таких как их использование в сенсорных и исполнительных устройствах, в наноразмерной молекулярной электронике или также в качестве армирующих волокон в функциональных композитных материалах.

Оптические свойства

Как упоминалось выше, углеродные нанотрубки также обладают очень интересными оптическими свойствами, такими как поглощение, фотолюминесценция и спектроскопия комбинационного рассеяния.

Что удивительно, так это то, что спектроскопические методы могут быстро и без разрушения характеризовать довольно большое количество углеродных нанотрубок. Если мы посмотрим на это с промышленной точки зрения, такая характеристика очень желательна. Это означает, что различные параметры синтеза нанотрубок могут быть изменены для изменения качества нанотрубок. Это может произойти как преднамеренно, так и непреднамеренно.

 

Благодаря этим свойствам их можно использовать в оптике и фотонике, например, в светодиодах и фотодетекторах.

Вы должны знать, что их преимущество не в их эффективности, которая все еще относительно низка. По сути, это узкая селективность по длине волны излучения и детектирования света. Существует также возможность легкой настройки через структуру УНТ.

 

Давайте обобщим то, что вы уже узнали.

В принципе, все эти удивительные свойства были бы невозможны, если бы не их структура. Поэтому настало время раскрыть более увлекательные факты о нем.

Абсолютно удивительная структура углеродных нанотрубок

Углерод — один из немногих элементов, известных с древних времен. Это элемент особой природы. Если мы посмотрим на структуру УНТ, то увидим идеальное сочетание природы углерода и молекулярного совершенства бакитрубок. Именно это наделяет их исключительными свойствами, о которых вы уже подробно узнали в предыдущих главах.

 

Что именно делает его таким особенным?

1. Во-первых, в таблице Менделеева нет другого элемента, который связывался бы сам с собой в расширенной решетке с силой углерод-углеродной связи
2. Во-вторых, пи-электрон, отданный каждым атомом, не остается с его донорный атом. На самом деле он может свободно перемещаться по всей конструкции. Таково происхождение электропроводности металлического типа.
3. И последнее, но не менее важное: высокочастотные колебания связи углерод-углерод создают внутреннюю теплопроводность, которая даже выше, чем у алмаза.

Одностенные, двустенные и многостенные фуллереновые нанотрубки и углеродные наноструктуры

Вы уже можете различать конкретные формы бакитрубок, как это обсуждалось в начале этой статьи.

Мы углубимся в эту тему.

 

Структура одностенной углеродной нанотрубки

Как было сказано ранее, углеродные нанотрубки образованы изогнутым графеновым листом. Эти листы имеют форму бесшовных цилиндров, полученных из сотовой решетки. Это представляет собой один атомный слой кристаллического графита.

Структура SWCNT является одномерной и определяется вектором:

v = n ∙ a₁ + m ∙ a₂

В этом векторе a₁ и a₂ представляют единичные векторы, а n и m относятся к целым числам. Если нанотрубка построена таким образом, это (n, m) нанотрубка.

 

Типы конфигураций

• Зигзаг (m = 0) – путь, который поворачивает на 60 градусов, меняясь влево и вправо после прохождения каждой связи
• Кресло (n = m) – может быть определен как путь, который делает два левых поворота на 60 градусов и каждые четыре шага следуют два правых поворота.

 

Это означает, что бесконечная нанотрубка конфигурации типа «кресло» (зигзаг) образована только замкнутыми дорожками «кресло» (зигзаг), которые соединены друг с другом.

Гибридизация углеродных нанотрубок

Buckytubes и фуллерены в целом чрезвычайно сильны благодаря их орбитальной гибридизации. В химии это выражает процесс смешивания атомных орбиталей в новые гибридные орбитали. Эти новые орбитали имеют форму и энергию, отличные от составляющих атомных орбиталей, и подходят для спаривания электронов с целью образования химических связей (теория валентных связей).

Эта концепция приводит к тому, что связи между соседними атомами углерода относятся к типу sp².

Связи Sp² прочнее, чем связи sp3 в алмазе и алкенах.

Каковы возможные применения фуллеренов и углеродных нанотрубок?

Фуллерены и углеродные нанотрубки имеют очень длинный список возможных применений. Одни из них уже успешно внедрены в нашу жизнь, другие пока находятся в стадии разработки.

Поэтому неудивительно, что их открытие вызвало большой ажиотаж.

Учитывая их огромный потенциал, нанотрубки могут стать настоящей революцией в материаловедении.

 

Их уникальная геометрия, состав и свойства могут быть использованы в следующих приложениях:

• Аккумулирование энергии – они демонстрируют внутренние характеристики, необходимые для материалов, которые используются в качестве электродов в конденсаторах и батареях. В настоящее время обе эти технологии находятся в центре внимания, и важность их развития возрастает. УНТ имеют чрезвычайно большую площадь поверхности; именно речь идет о 1000 м²/г! Более того, благодаря линейной геометрии их поверхность доступна для электролита. Вы также должны знать, что, согласно исследованиям, они обладают самой высокой обратимой способностью среди всех углеродных материалов. Это может быть использовано в литий-ионных батареях. Их можно использовать в качестве компонентов топливных элементов, в газодиффузионных слоях и т. д.
• Термические материалы – УНТ могут быть лучшим из возможных эмиттеров электронного поля. Это полимеры чистого углерода. Благодаря им есть возможность видоизменить свою структуру. Поэтому можно оптимизировать их растворимость и дисперсию. Их экстраординарные тепловые свойства могут быть использованы во многих приложениях, где желательно перемещать тепло из одного места в другое. Таким образом, их практическое применение можно найти в электронике, особенно в передовых вычислениях (неохлаждаемые чипы могут нагреваться до 100 °C)
• Молекулярная электроника — идея построения электронной схемы из молекул на самом деле является ключевым компонентом нанотехнологий, а УНТ идеально подходят для соединений в молекулярной электронике
• Конструкционные материалы — их исключительная прочность и жесткость могут быть использованы, например, в передовых композиты, требующие высоких механических свойств
• Электрические эмиттеры – на самом деле углеродные нанотрубки являются лучшими эмиттерами поля в мире. Это возможно не только благодаря их большой электропроводности, но и потому, что они имеют невероятно острый наконечник. Из-за остроты кончика они способны излучать при очень низком напряжении. Это очень важная особенность для построения маломощных электрических устройств
• Ткани и волокна – УНТ образуют сверхпрочные волокна. Поэтому их можно использовать в транспортных средствах и бронежилетах, в тканях и текстиле или в кабелях линий электропередач
• Биомедицина — в настоящее время ведутся многочисленные исследования, изучающие их потенциальное использование в биомедицине. Важно отметить, что они оказываются нетоксичными для человеческого организма, так как на них могут расти клетки. Их возможными областями применения могут быть: покрытия для протезов, сосудистые стенты, рост и регенерация нейронов
• Токопроводящие пластмассы. Пластмассы добились огромного прогресса с точки зрения их конструкционного применения. Поэтому их часто используют в качестве заменителей металлов. Однако они не являются электропроводящими, на самом деле они являются отличными электрическими изоляторами. Для преодоления этого недостатка пластмассы наполняют проводящими наполнителями. УНТ являются идеальным решением, потому что они имеют самое высокое соотношение сторон среди всех углеродных волокон. Они могут обеспечивать очень длинные проводящие пути при сверхнизких нагрузках
• Проводящие клеи – например, герметики, коаксиальные кабели и другие типы соединителей.
• Керамические материалы из УНТ – керамические материалы, армированные углеродными нанотрубками
• И другие применения, такие как: фильтрация воздуха и воды из УНТ, поддержка катализаторов, нанопористые фильтры, сбор солнечной энергии и многое другое.

Давайте посмотрим, из чего сделаны нанотрубки. Методы синтеза

• • Дуговой разряд.

• • Лазерная абляция.

• • Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) – это очень популярный метод, поскольку он дает большие объемы (с использованием определенных катализаторов). Также возможно контролировать морфологию, диаметр и длину. Однако трудно добиться повторяемости.

• • Диспропорционирование монооксидом углерода под высоким давлением (HiPCO) – этот метод имеет улучшенный катализ, благодаря которому можно производить одностенные углеродные нанотрубки высокой чистоты в больших количествах. Это происходит при высокой температуре (900 – 1100 °C), а также высокое давление (30 – 50 бар). Источником углерода является монооксид углерода, а катализатором является пентакарбонил никеля/железа.

 

Подводя итог, первые три названных процесса представляют собой периодические процессы, тогда как HiPCO представляет собой непрерывный процесс в газовой фазе.

Важно отметить, что всегда есть примеси (например, другие формы углерода и неуглеродные примеси), которые необходимо удалить, чтобы иметь возможность использовать углеродные нанотрубки в приложениях.

 

Быстрое развитие производственных процессов привело к повышению качества и объемов производства, а также к значительному снижению цен, что, безусловно, является хорошей новостью.

Поэтому сегодня углеродные нанотрубки можно купить всего за несколько долларов за грамм.

Какие свойства фуллеренов и нанотрубок – краткое изложение

Нет никаких сомнений в том, что открытие фуллеренов и углеродных нанотрубок стало крупным прорывом. Их совершенная структура и исключительные свойства могут изменить науку о материалах.

Успешная реализация множества возможных приложений может решить самые возникающие проблемы в мире.

В этой статье отмечены наиболее важные вехи в истории углеродных нанотрубок.

Теперь вы можете определить их структуру и конфигурацию. Вы также знаете, что его структура является причиной их экстраординарных свойств, которые также подробно обсуждались.

Вы можете найти список их возможных приложений и приложений, которые уже используются.

 

И последнее, но не менее важное: вы узнали, каковы распространенные методы производства.

Согласны ли вы с утверждением, что фуллерены и нанотрубки изменят мир, каким мы его знаем? У них наверняка есть потенциал для этого.