Какие уникальные свойства делают углеродные наноструктуры перспективными материалами будущего. Как графен, нанотрубки и фуллерены могут изменить электронику, медицину и другие отрасли. Какие проблемы необходимо решить для широкого внедрения углеродных наноматериалов.
Основные виды углеродных наноструктур
Углеродные наноструктуры представляют собой аллотропные модификации углерода с размерами в нанометровом диапазоне. К основным видам углеродных наноструктур относятся:
- Графен — двумерный слой атомов углерода толщиной в один атом
- Углеродные нанотрубки — цилиндрические структуры из свернутых графеновых листов
- Фуллерены — сферические молекулы из атомов углерода
Эти наноструктуры обладают уникальными свойствами, отличающимися от свойств объемного углерода. Именно это делает их перспективными материалами для различных применений в нанотехнологиях.
Уникальные свойства графена
Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, соединенных в гексагональную решетку. Какими уникальными свойствами обладает этот материал?
- Высокая механическая прочность — графен прочнее стали в 200 раз при той же толщине
- Высокая электропроводность — подвижность электронов в графене в 100 раз выше, чем в кремнии
- Оптическая прозрачность — монослой графена поглощает всего 2.3% падающего света
- Высокая теплопроводность — превышает теплопроводность меди в 10 раз
Сочетание этих свойств делает графен перспективным материалом для создания сверхбыстрой электроники, прозрачных электродов, высокочувствительных сенсоров и других устройств.
Структура и свойства углеродных нанотрубок
Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические структуры, образованные сворачиванием графенового листа. В зависимости от способа сворачивания различают:
- Однослойные нанотрубки — состоят из одного слоя графена
- Многослойные нанотрубки — состоят из нескольких вложенных друг в друга однослойных нанотрубок
Диаметр нанотрубок составляет от 0.4 до 100 нм, а длина может достигать нескольких сантиметров. Какими уникальными свойствами обладают углеродные нанотрубки?
- Высокая прочность — модуль Юнга достигает 1-5 ТПа
- Высокая электропроводность — плотность тока до 10^9 А/см^2
- Высокая теплопроводность — до 6000 Вт/(м*К)
- Полупроводниковые свойства — запрещенная зона зависит от хиральности
Благодаря этим свойствам нанотрубки находят применение в электронике, композитных материалах, сенсорах и других областях.
Фуллерены и их применение
Фуллерены представляют собой замкнутые молекулы из атомов углерода. Наиболее известный фуллерен C60 имеет форму футбольного мяча. Какие свойства делают фуллерены перспективными материалами?
- Способность образовывать соединения с другими элементами
- Антиоксидантные свойства
- Способность проникать через биологические мембраны
- Полупроводниковые свойства
Эти свойства позволяют использовать фуллерены в медицине, электронике, катализе и других областях. Например, фуллерены исследуются как потенциальные носители лекарств и антиоксиданты.
Применение углеродных наноструктур в электронике
Углеродные наноструктуры обладают уникальными электронными свойствами, что делает их перспективными материалами для наноэлектроники. Как могут применяться графен, нанотрубки и фуллерены в электронных устройствах?
- Транзисторы на основе графена и нанотрубок с высокой подвижностью носителей заряда
- Прозрачные проводящие покрытия из графена для сенсорных экранов
- Сверхбыстрые электронные схемы на основе баллистического транспорта в нанотрубках
- Суперконденсаторы с электродами из графена и нанотрубок
- Солнечные элементы с использованием фуллеренов в качестве акцепторов электронов
Внедрение углеродных наноструктур позволит создать электронные устройства с более высоким быстродействием и энергоэффективностью по сравнению с кремниевой электроникой.
Перспективы применения в медицине
Углеродные наноструктуры обладают большим потенциалом для применения в биомедицине. Какие направления являются наиболее перспективными?
- Адресная доставка лекарств с помощью функционализированных нанотрубок и фуллеренов
- Биосенсоры на основе графена для диагностики заболеваний
- Антибактериальные покрытия из графена и нанотрубок
- Скаффолды из нанотрубок для регенерации нервной ткани
- Контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии на основе фуллеренов
Однако для широкого внедрения углеродных наноматериалов в медицину необходимо тщательно изучить вопросы их биосовместимости и потенциальной токсичности.
Проблемы и перспективы широкого внедрения
Несмотря на уникальные свойства углеродных наноструктур, их широкое практическое применение пока ограничено. С какими основными проблемами сталкиваются исследователи и разработчики?
- Сложность получения материалов с заданными свойствами в промышленных масштабах
- Высокая стоимость производства высококачественных наноматериалов
- Недостаточная изученность вопросов безопасности и влияния на окружающую среду
- Сложность интеграции наноматериалов в существующие технологические процессы
Для решения этих проблем необходимы дальнейшие исследования методов синтеза, свойств и применений углеродных наноструктур. При преодолении указанных барьеров углеродные наноматериалы смогут совершить революцию во многих отраслях промышленности.
Углеродные наноматериалы
Лабораторные работы
1. Лабораторная работа №1. Введение. Углеродные наноструктуры.
2. Лабораторная работа №2. Фуллерен. Фуллерит и его деформационное поведение.
3. Лабораторная работа №3. Устойчивость монослоя фуллерена и его механические свойства.
4. Лабораторная работа №4. Углеродные нанотрубки. Деформационное поведение.
5. Лабораторная работа №5. Углеродные нанотрубки для хранения водорода.
6. Лабораторная работа №6. Графен. Метод механического расслоения.
7. Лабораторная работа №7. Графен. Тепловые свойства.
8. Лабораторная работа №8. Графен. Зависимость механических свойств от структуры.
9. Лабораторная работа №9. Трехмерные углеродные наносистемы.
Лабораторная работа №1
структуры.zip
Размер файла: 45.
73 кб
Углеродные структуры для выполнения лабораторной работы №1
Скачать
Лабораторная работа №1
Обработка видео…
Чек_лист.pdf
Размер файла: 185.03 кб
Чек-лист к отчету по лабораторной работе №1
Скачать
Лабораторная работа №2
Лабораторная работа2.pdfРазмер файла: 3.64 мб
Лабораторная работа 2. Фуллерен. Фуллерит.
Перейти
in.relax
Размер файла: 679
файл с программой релаксации
Скачать
c60.dat
Размер файла: 2.47 кб
файл с фуллереном С60
Скачать
Пояснения к ЛР 2 по предмету Углеродные НМ
Обработка видео…
fulleriteC60pc.
in
Размер файла: 118.31 кб
структура фуллерита
Скачать
in.strain
Размер файла: 1.72 кб
Файл с программой для деформирования
Скачать
Лабораторная работа №3
Лабораторная работа3.pdf
Размер файла: 1.36 мб
Лабораторная работа 3. Устойчивость двумерного монослоя. Мех свойства
Перейти
in.monolayer
Размер файла: 1.40 кб
файл с программой расчета устойчивости
Скачать
C60_relax_0K.in
Размер файла: 241.73 кб
файл со структурой монослоя фуллерита
Скачать
C60-gr_relax_0K.in
Размер файла: 377.88 кб
файл со структурой монослоя фуллерита на графене
Скачать
in.
tension
Размер файла: 1.17 кб
файл деформирования
Скачать
F60.def1.txtРазмер файла: 145.07 кб
результат деформации
Скачать
C60.zip
Размер файла: 24.01 мб
структура в процессе деформации
Скачать
Лабораторная работа №4
Лабораторная работа4.pdf
Размер файла: 1.09 мб
Деформация углеродной нанотрубки
Перейти
in.tension
Размер файла: 1.16 кб
Деформация углеродной нанотрубки
Скачать
nanotubes_variants.zip
Размер файла: 126.41 кб
Нанотрубки по вариантам
Скачать
Лабораторная работа №5
Лабораторная работа5.
Размер файла: 1.10 мб
УНТ в водородной энергетике
Перейти
v2.zip
Размер файла: 3.22 мб
К упражнению 1 — вариант 2
Перейти
v6.zip
Размер файла: 4.07 мб
К упражнению 1 — вариант 6
Перейти
v10.zip
Размер файла: 3.26 мб
К упражнению 1 — вариант 10
Перейти
nanobundle.txt
Размер файла: 1.04 кб
К упражнению 2
Перейти
v3.zip
Размер файла: 3.48 мб
К упражнению 1 — вариант 3
Перейти
v7.zip
Размер файла: 4.51 мб
К упражнению 1 — вариант 7
Перейти
v11.zip
Размер файла: 3.
92 мб
К упражнению 1 — вариант 11
Перейти
CNTbundle.lammpstrj
Размер файла: 26.92 мб
К упражнению 2
Перейти
v4.zip
Размер файла: 2.37 мб
К упражнению 1 — вариант 4
Перейти
v8.zip
Размер файла: 3.66 мб
К упражнению 1 — вариант 8
Перейти
v12.zip
Размер файла: 2.84 мб
К упражнению 1 — вариант 12
Перейти
v1.zip
Размер файла: 2.98 мб
К упражнению 1 — вариант 1
Перейти
v5.zip
Размер файла: 3.80 мб
К упражнению 1 — вариант 5
Перейти
v9.zip
Размер файла: 3.41 мб
К упражнению 1 — вариант 9
Перейти
v13.
zip
Размер файла: 3.21 мб
К упражнению 1 — вариант 13
Перейти
Лабораторная работа №7
Лабораторная работа№7.pdf
Размер файла: 2.10 мб
Методические указания
Скачать
v1.zip
Размер файла: 4.63 мб
Вариант 1
Скачать
v4.zip
Размер файла: 12.14 мб
Вариант 4
Скачать
v7.zip
Размер файла: 7.13 мб
Вариант 7
Скачать
v10.zip
Размер файла: 4.24 мб
Вариант 10
Скачать
v13.zip
Размер файла: 15.22 мб
Вариант 13
Скачать
К лабораторной работе №6 (Часть 1) по предмету Углеродные наноматериалы.
Обработка видео…
v2.zip
Размер файла: 13.60 мб
Вариант 2
Скачать
v5.zip
Размер файла: 11.69 мб
Вариант 5
Скачать
v8.zip
Размер файла: 5.51 мб
Вариант 8
Скачать
v11.zip
Размер файла: 7.97 мб
Вариант 11
Скачать
К лабораторной работе №6 (Часть 2) по предмету Углеродные наноматериалы
Обработка видео…
v3.zip
Размер файла: 8.17 мб
Вариант 3
Скачать
v6.zip
Размер файла: 9.53 мб
Вариант 6
Скачать
v9.zip
Размер файла: 3.38 мб
Вариант 9
Скачать
v12.
zip
Размер файла: 15.11 мб
Вариант 12
Скачать
Лабораторная работа №8
Лабораторная работа8.pdf
Размер файла: 692.28 кб
Скачать
К лабораторной работе №7 по предмету Углеродные НМ
Обработка видео…
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Вариант 4
Вариант 5
Вариант 6
Вариант 7
Вариант 8
Вариант 9
Вариант 10
Вариант 11
Вариант 12
Вариант 13
Лабораторная работа №9
Лабораторная работа№9.pdf
Размер файла: 684.60 кб
Лабораторная работа№8
Скачать
К лабораторной работе №8 по предмету Углеродные НМ
Обработка видео…
К лабораторной работе №8 (Часть 2) по предмету Углеродные наноматериалы
Обработка видео.
..
Варианты
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Вариант 4
Вариант 5
Вариант 6
Вариант 7
Вариант 8
Вариант 9
Вариант 10
Вариант 11
Вариант 12
Вариант 13
Углеродные наноструктуры — презентация онлайн
1. Углеродные наноструктуры
2. Аллотропные формы углерода
1. Алмаз
2. Графит
3. Графен
4. Нанотрубки
5. Фуллерен
3. Алмаз
6. Графит
Графит, из чего сделаныгрифели обычных
карандашей,
представляет собой
стопку листов графена
(рис. 22). Графены в
графите очень плохо
связаны между собой и
могут скользить друг
относительно друга.
Поэтому, если провести
графитом по бумаге, то
соприкасающийся с ней
лист графена отделяется
от графита и остаётся на
бумаге. Это и объясняет,
почему графитом можно
писать.
Схематическое изображение трёх листов
графена, находящихся друг над другом в
графите.
7. Графен
Графен – это одиночный
плоский лист, состоящий из
атомов углерода, связанных
между собой и образующих
решётку, каждая ячейка
которой напоминает пчелиную
соту (рис. 21). Расстояние
между ближайшими атомами
углерода в графене составляет
около 0,14 нм.
Схематическое изображение
графена. Светлые шарики –
атомы углерода, а стержни
между ними – связи,
удерживающие атомы в
листе графена.
Лауреаты Нобелевской премии по физике за
2010 год Андрей Гейм (слева) и Константин
Новосёлов.
Нобелевская премия по физике за 2010 год
была присуждена Андрею Гейму (Andre
Geim) и Константину Новосёлову (Kostya
Novoselov) из Манчестерского университета
за новаторские эксперименты с графеном —
двумерной формой углерода.
Возглавляемая ими группа ученых была
первой, кому удалось получить графен и
идентифицировать его. Помимо этого,
работы Гейма и Новосёлова внесли важный
вклад в исследования необычных свойств и
характеристик нового материала.
9. Графен
Графен (верхний рисунок) — это 2D- (двумерный) строительныйматериал для других углеродных аллотропных модификаций. Он
может быть свёрнут в 0D-фуллерен (слева), скручен в 1Dуглеродную нанотрубку (в центре) или уложен в 3D-штабеля,
образуя графит (справа). Рисунок из статьи A. K. Geim и
K. S. Novoselov The rise of graphene в Nature Materials
Графит — сильно анизотропное
вещество; он состоит из слабо
взаимодействующих плоских слоев
атомов углерода. То, что связь
между атомными плоскостями
слабая, можно наблюдать
в процессе рисования карандашом
на бумаге, когда слои графита
легко смещаются и отсоединяются,
оставляя на бумаге след.
Предположим, что нам каким-то
образом удалось «отщепить» от
кристалла графита одну атомарную
плоскость. Полученный единичный
слой атомов углерода и есть
графен (из-за плоской формы
графен называют еще двумерной
аллотропной формой углерода).
Так что можно считать, что
графит — это такой штабель
графеновых плоскостей.
10. Свойства графена
1. Электронные свойства новой формы углерода коренным образом отличаются от свойств трехмерных веществ.
В частности, эксперименты подтвердили предсказания теоретиков о линейном законе дисперсии электронов. Но физикам
было известно, что подобную зависимость энергии от импульса имеют и фотоны — безмассовые частицы,
распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Это означает, что электроны в графене, как и фотоны, не имеют
массы, но движутся в 300 раз медленнее фотонов и имеют ненулевой заряд. (нулевая масса электронов наблюдается только
в пределах графена. Если такой электрон удалось бы «вытянуть» из графена, то он приобрел бы свои обычные свойства.)
2. Линейный закон дисперсии электронов, а также то, что они являются фермионами (имеют полуцелый спин), вынуждает
использовать для описания графена не уравнение Шредингера, как в физике твердого тела, а уравнение Дирака. Поэтому
электроны в графене называют дираковскими фермионами, а определенные участки кристаллической структуры графена,
для которых закон дисперсии линеен, — дираковскими точками.
3. Поскольку эти особенности поведения электронов в двумерном углероде присущи релятивистским частицам (со
скоростью движения близкой к скорости света), появляется возможность экспериментальным образом смоделировать в
графене некоторые эффекты из физики высоких энергий (например, парадокс Клейна), которые в обычных условиях
исследуются в ускорителях заряженных частиц. Поэтому графен в шутку называют «настольным ЦЕРНом» (ЦЕРН —
Европейский центр ядерных исследований, под его эгидой работает Большой адронный коллайдер).
4. В макроскопическом масштабе линейный закон дисперсии приводит к тому, что графен является полуметаллом, то есть
полупроводником с нулевой шириной запрещенной зоны, а его проводимость в нормальных условиях не уступает
проводимости меди. Более того, его электроны чрезвычайно чувствительны к воздействию внешнего электрического поля,
поэтому подвижность носителей заряда в графене при комнатной температуре теоретически может достигать рекордных
значений — в 100 раз больше, чем у кремния, и в 20 раз больше, чем у арсенида галлия.
Эти два полупроводника, наряду сгерманием, наиболее часто используются при создании различных высокотехнологичных устройств (интегральных схем,
диодов, детекторов и т. п.), а поскольку быстрота и эффективность их работы определяется как раз подвижностью
электронов, то чем больше эта величина, тем быстрее и производительнее работают устройства.
5. Графен установил рекорд и по теплопроводности. Измеренный коэффициент теплопроводности двумерного углерода в
10 раз больше коэффициента теплопроводности меди, которая считается отличным проводником теплоты. Интересно, что
до открытия графена звание лучшего проводника тепла принадлежало другой аллотропной форме углерода — углеродной
нанотрубке. Графен улучшил этот показатель почти в 1,5 раза.
11. Графен в приборах
Ученые из Швейцарского
федерального политехнического
университета Лозанны (Swiss Ecole
Polytechnique Federale de Lausanne,
EPFL), объединив два материала с
уникальными электрическими
характеристиками, графен
и молибденит, создали опытные
образцы ячеек флэш-памяти,
которые демонстрируют
многообещающие характеристики
с точки зрения эффективности
работы, размера, гибкости и
потребления энергии.
На основемолибденита ученые уже создали
чипы простейших логических
микросхем, а создание на основе
этого материала флэш-памяти
является большим шагом на пути
продвижения этого материала в
область практической электроники.
12. Углеродные нанотрубки
Многие перспективные
направления в
нанотехнологиях
связывают с
углеродными
нанотрубками.
Углеродные нанотрубки
– это каркасные
структуры или
гигантские молекулы,
состоящие только из
атомов углерода.
Углеродную нанотрубку
легко себе представить,
если вообразить, что вы
сворачиваете в трубку
один из молекулярных
слоёв графита – графен
Один из способов воображаемого изготовления
нанотрубки (справа) из молекулярного слоя
графита (слева).
Нанотрубки образуются, например, на поверхности
угольных электродов при дуговом разряде между ними.
При разряде атомы углероды испаряются с поверхности
и, соединяясь между собой, образуют нанотрубки
самого различного вида – однослойные, многослойные
и с разными углами закручивания
Диаметр однослойных нанотрубок, как правило, около 1
нм, а их длина в тысячи раз больше, составляя около 40
мкм.
Они нарастают на катоде перпендикулярноплоской поверхности его торца. Происходит так
называемая самосборка углеродных нанотрубок из
атомов углерода. В зависимости от угла закручивания
нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов,
проводимостью, а могут иметь свойства
полупроводников.
Углеродные нанотрубки прочнее графита, хотя сделаны
из таких же атомов углерода, потому, что в графите
атомы углерода находятся в листах. А каждому известно,
что свёрнутый в трубочку лист бумаги гораздо труднее
согнуть и разорвать, чем обычный лист. Поэтому-то
углеродные нанотрубки такие прочные. Нанотрубки
можно применять в качестве очень прочных
микроскопических стержней и нитей, ведь модуль Юнга
однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5
ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Поэтому нить,
сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий
волос способна удерживать груз в сотни килограмм.
Сверху – схематическое изображение
однослойной углеродной нанотрубки;
ниже (сверху вниз) – двухслойная,
прямая и спиральная нанотрубки.
15. Фуллерен
• Молекулы самогосимметричного и
наиболее изученного
фуллерена, состоящего
из 60 атомов углерода
(C60), образуют
многогранник,
состоящий из 20
шестиугольников и 12
пятиугольников и
напоминающий
футбольный мяч (рис.
26). Диаметр
фуллерена C60,
составляет около 1 нм.
Схематическое изображение фуллерена
С60.
За открытие фуллеренов американскому
физику Р. Смоли, а также английским
физикам Х. Крото и Р. Керлу в 1996 году
была присуждена Нобелевская премия.
18. Электрические соединения с помощью УНТ
19. Транзистор на УНТ
Транзистор на индивидуальной нанотрубке, который действует при комнатной температуре. Это трех
электродное устройство, содержащее индивидуальную нанотрубку, расположенную на двух металлических
наноэлектродах и подложке-затворе. Диаметр нанотрубки около 5 нм.
По данным:
20. Преимущества нанотрубок
21. Элемент памяти на УНТ
РТЛ СРАМ с УНТ полевымтранзистором .
Логическиесостояния память 0 и 1
показаны после того как
переключение открылось?
Углеродные нанотрубки | Свойства и использование
углеродные нанотрубки
Просмотреть все материалы
- Связанные темы:
- нанотехнологии фуллерен графен
См. все связанные материалы →
углеродные нанотрубки , также называемые buckytube , полые нанотрубки, состоящие из атомов углерода. Цилиндрические углеродные молекулы имеют высокое отношение длины к диаметру (длина-диаметр), обычно превышающее 10 9 .0019 3 , диаметром от примерно 1 нанометра до десятков нанометров и длиной до миллиметров. Эта уникальная одномерная структура и сопутствующие свойства наделяют углеродные нанотрубки особой природой, предоставляя им неограниченный потенциал в приложениях, связанных с нанотехнологиями. Углеродные нанотрубки относятся к семейству фуллеренов. Хотя первые молекулы фуллерена были обнаружены в 1985 г.
, только в 1991 г. Сумио Иидзима сообщил о своих открытиях в отношении игольчатых углеродных трубок в Nature , что углеродные нанотрубки стали достоянием общественности.
С тех пор были открыты углеродные нанотрубки различной структуры. По количеству графических оболочек их в основном делят на одностенные (ОСНТ) и многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ). Углеродные нанотрубки, о которых сообщил Иидзима, представляли собой МУНТ, синтезированные методами дугового разряда. Два года спустя две группы исследователей, работавших независимо друг от друга — Иидзима и Тошинари Ичихаси, вместе с Дональдом С. Бетьюном и его коллегами из IBM — синтезировали ОСНТ с использованием дугового разряда, катализируемого переходными металлами.
Еще из Britannica
нанотехнологии: нанотрубки и нанопроволоки
SWNT можно описать как длинную трубку, образованную путем свертки одного листа графена в цилиндр диаметром около 1 нанометра, концы которого закрыты фуллереновыми клетками.
Фуллереновые структуры с чередующимися структурами из пяти шестиугольников, примыкающих к одному пятиугольнику, образуют поверхность с желаемой кривизной, заключающую в себе объем. Боковые стенки углеродных нанотрубок выполнены из листов графена, состоящих из соседних гексагональных ячеек. Другие многоугольные структуры, такие как пятиугольники и семиугольники, представляют собой дефекты боковых стенок. Цилиндрические боковые стенки могут быть изготовлены с различными направлениями прокатки, чтобы получить ОСНТ с различными структурами и свойствами. Из-за цилиндрической симметрии существует всего несколько методов, эффективных для изготовления бесшовных цилиндров, и они характеризуются киральными векторами с целыми индексами (n, m). Чтобы установить хиральный вектор, выбираются два атома в графеновом листе, один из которых служит началом вектора, указывающим на другой атом. Затем лист графена скручивают таким образом, чтобы два атома совпали. В этих условиях хиральные векторы образуют плоскость, перпендикулярную долготе нанотрубок, а длины хиральных векторов равны длине окружности.
Отчетливо охарактеризованы три различных типа ОСНТ, названные «зигзаг» (m = 0), «кресло» (n = m) и «хиральный». Эти структурные изменения приводят к различиям в электропроводности и механической прочности.
MWNT представляют собой концентрически выровненные сборки SWNT с различными диаметрами. Расстояние между соседними оболочками составляет около 0,34 нм. МУНТ отличаются от ОУНТ не только своими размерами, но и соответствующими свойствами. Были разработаны различные методы производства углеродных нанотрубок в значительном количестве, с высоким выходом и чистотой при сохранении разумной стоимости. К хорошо разработанным методам относятся дуговой разряд, лазерная абляция и химическое осаждение из паровой фазы (CVD), и в большинстве процессов используются дорогостоящие вакуумные условия.
Дуговой разряд первоначально использовался для синтеза фуллеренов. В типичной экспериментальной установке камера, заполненная инертным газом низкого давления (от 50 до 700 мбар) (гелий, аргон), является местом, где протекает реакция.
Два угольных стержня помещаются встык в качестве электродов, разделенных несколькими миллиметрами, и постоянный ток от 50 до 100 А (приводимый в действие разностью потенциалов 20 В) создает высокую температуру разряда для сублимации отрицательного электрода. оставляя сажу там, где находятся углеродные нанотрубки. Этот метод является наиболее распространенным способом синтеза углеродных нанотрубок и, возможно, самым простым. Качество углеродных нанотрубок зависит от однородности плазменной дуги, катализаторов и выбора наполняющих газов. Обычно производят смесь углеродных нанотрубок; таким образом, необходимы процессы очистки для удаления фуллеренов, аморфного углерода и катализаторов.
Лазерная абляция была впервые использована для производства углеродных нанотрубок в 1995 году. Импульсный или непрерывный лазер используется для испарения мишени из графита (или смеси графитовых металлов) в печи при 1200 ° C (2200 ° F), заполненной инертным газом при давлении 500 торр. Пары углерода быстро остывают при расширении, а атомы углерода быстро конденсируются, образуя трубчатые структуры с помощью частиц катализатора.
МУНТ могут быть синтезированы при испарении чистого графита, а ОСНТ выращиваются из смесей графита и переходного металла (кобальт, никель и т. д.). Этот метод в основном используется для синтеза ОСНТ с высокой селективностью и контролируемым диаметром путем подбора температуры реакции. Полученные продукты обычно имеют форму связок. Лазерная абляция является наиболее дорогостоящим методом из-за использования дорогих лазеров и высокой потребляемой мощности.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) — наиболее перспективный способ производства углеродных нанотрубок в промышленных масштабах. В этом процессе используется высокая энергия (600–900 ° C [1100–1650 ° F]) для распыления газообразных источников углерода, таких как метан, монооксид углерода и ацетилен. Образовавшиеся реактивные атомы углерода диффундируют к субстрату, покрытому катализатором, и конденсируются с образованием углеродных нанотрубок.
Хорошо выровненные углеродные нанотрубки могут быть синтезированы с точно контролируемой морфологией при условии соблюдения надлежащих условий реакции, включая подготовку субстратов, выбор катализаторов и т. д.
В углеродных нанотрубках обнаружены новые химические, электрические и механические свойства, отсутствующие в других материалах. Чистые углеродные нанотрубки инертны по отношению к большинству химических веществ и должны быть привиты поверхностными функциональными группами, чтобы повысить их химическую реактивность и добавить новые свойства. Для ОСНТ электропроводность зависит от хирального вектора и не зависит от длины, определяемой квантовой механикой. С учетом хирального вектора с индексами (n, m) углеродные нанотрубки являются металлическими, когда n = m или (n — m) = 3i (i — целое число) и полупроводниковые в остальных случаях. В продольном направлении углеродные нанотрубки демонстрируют превосходную механическую прочность с самыми высокими из известных материалов пределом прочности на растяжение и модулем упругости.
По тепловым свойствам углеродные нанотрубки превосходят алмаз как лучший теплопроводник. Применение углеродных нанотрубок направлено на использование их уникальных свойств для решения проблем в наномасштабе. Их большая площадь поверхности вместе с уникальной способностью переносить любые химические соединения после модификации поверхности дает углеродным нанотрубкам потенциал для использования в качестве носителей наноразмерных катализаторов с высокой каталитической реактивностью и химических сенсоров. Известно, что они являются лучшими полевыми эмиттерами из-за своих острых кончиков, которые могут легко концентрировать электрическое поле, позволяя им испускать электроны при низких напряжениях.
Это свойство находит особое применение в плоских дисплеях с автоэлектронной эмиссией и электронных пушках с холодным катодом, используемых в микроскопах. В наноэлектронике ОСНТ использовались для изготовления транзисторов, которые могут работать при комнатной температуре и являются потенциальными кандидатами для устройств, работающих на частотах в тетрагерц (ТГц).
Инженерные материалы, использующие углеродные нанотрубки в качестве добавок, продемонстрировали способность создавать пластиковые композиты с повышенной электропроводностью и механической прочностью. Для биомедицинских приложений углеродные нанотрубки кажутся многообещающими в качестве средств адресной доставки лекарств и регенерации нервных клеток. Однако их будущий успех в биологических приложениях в значительной степени зависит от изучения токсичности, которое все еще находится на ранней стадии.
Некоторые исследователи обеспокоены рисками для здоровья, связанными с углеродными нанотрубками, которые, согласно лабораторным исследованиям, представляют опасность для здоровья человека, аналогичную асбесту. В частности, воздействие углеродных нанотрубок было связано с мезотелиомой, раком слизистой оболочки легких. Считается, что при вдыхании нанотрубки могут оставить рубцы в тканях легких подобно волокнам асбеста, что вызывает беспокойство, поскольку нанотрубки уже используются во многих распространенных продуктах, таких как велосипедные рамы, кузова автомобилей и теннисные ракетки.
Потенциальные риски для здоровья имеют отношение не только к тем, кто участвует в производстве, но и к широкой общественности, и было проведено мало исследований, чтобы определить, возникают ли риски для здоровья человека, когда продукты, содержащие нанотрубки, измельчаются или сжигаются на свалке отходов.
Guoqiang Ren
Углеродные наноструктуры ATHLOS™ | Cabot Corporation
Этот веб-сайт использует файлы cookie. Продолжая использовать этот сайт без изменения настроек браузера, вы соглашаетесь на использование файлов cookie компанией Cabot. Узнать больше
Мир возможностей
CNS — уникальная лучшая в своем классе проводящая добавка со следующими основными характеристиками:
- Высокая структура: лес сшитых разветвленных нанотрубок
- Высокая чистота: состоит из более чем 97% углерода
- Простота использования: удобная форма гранул, низкое пыление и быстрое включение в дисперсионный материал
ATHLOS™ CNS обеспечивает исключительное сочетание проводимости, защиты от электромагнитных помех (ЭМП), механической прочности и прочности при обработке для приложений, требующих высокой производительности.
Материалы и детали, из которых состоят электронные устройства, должны делать то же самое. ATHLOS™ CNS обеспечивает эквивалентную проводимость по сравнению с альтернативными добавками при загрузке в доли процента, что позволяет разработчикам разрабатывать более прочные и более проводящие компоненты следующего поколения. ATHLOS™ CNS может достигать проводимости с загрузкой менее 1%, что позволяет производителям компаундов обеспечивать повышенную механическую прочность, а также освобождает место в рецептурах, чтобы сосредоточиться на других добавках, обеспечивая гибкость, необходимую для изготовления токопроводящих деталей меньшего размера, более тонкого и легкого. ATHLOS™ CNS имеет сшитую разветвленную структуру, которая позволяет CNS придавать ключевые характеристики, такие как высокая электропроводность с минимальным влиянием на технологичность, низкий порог электрической перколяции, лучшие в своем классе характеристики защиты от электромагнитных помех, синергизм с другими добавками в рецептуру, армирование и облегчение.
