Follow
Μια σελίδα νανοσωλήνων άνθρακα - Voonky

Μια σελίδα νανοσωλήνων άνθρακα

  • Επιστήμη των νανοσωλήνων
  • Σύνδεσμοι νανοσωλήνων
  • Βιβλία και κριτικές
  • Nano sites
  • Εμπορικοί προμηθευτές
  • Μεταφράσεις

Επιστήμη και τεχνολογία νανοσωλήνων άνθρακα

armtube

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι σωλήνες μοριακής κλίμακας με γραφίτη άνθρακα με εξαιρετικές ιδιότητες. Είναι από τις πιο δύσκαμπτες και ισχυρότερες ίνες γνωστές και έχουν αξιόλογες ηλεκτρονικές ιδιότητες και πολλά άλλα μοναδικά χαρακτηριστικά. Για αυτούς τους λόγους έχουν προσελκύσει τεράστιο ακαδημαϊκό και βιομηχανικό ενδιαφέρον, με χιλιάδες δημοσιεύσεις σχετικά με νανοσωλήνες να δημοσιεύονται κάθε χρόνο. Οι εμπορικές εφαρμογές έχουν μάλλον αργή ανάπτυξη, ωστόσο, κυρίως λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής των νανοσωλήνων καλύτερης ποιότητας.

 Ιστορία

 Το σημερινό τεράστιο ενδιαφέρον για τους νανοσωλήνες άνθρακα είναι άμεση συνέπεια της σύνθεσης του buckminsterfullerene, του C60 και άλλων φουλλερενίων το 1985. Η ανακάλυψη ότι ο άνθρακας θα μπορούσε να σχηματίσει σταθερές δομές εκτός από γραφίτη και διαμάντι διεγερμένους ερευνητές σε όλο τον κόσμο για να αναζητήσουν άλλες νέες μορφές άνθρακα. Η έρευνα έλαβε νέα ώθηση όταν αποδείχθηκε το 1990 ότι το C60 θα μπορούσε να παραχθεί σε μια απλή συσκευή εξάτμισης τόξου που είναι άμεσα διαθέσιμη σε όλα τα εργαστήρια. Χρησιμοποιούσε έναν τέτοιο εξατμιστή που ο Ιαπωνικός επιστήμονας Sumio Iijima ανακάλυψε νανοσωλήνες άνθρακα που σχετίζονται με φουλλερένιο το 1991. Οι σωλήνες περιείχαν τουλάχιστον δύο στρώματα, συχνά πολλά άλλα και κυμαίνονταν σε εξωτερική διάμετρο από περίπου 3 nm έως 30 nm. Ήταν πάντα κλειστά και στα δύο άκρα.

Multiwalled NanotubesΜια μικροσκοπική απεικόνιση ηλεκτρονίων μερικών πολυεπεξεργασμένων νανοσωλήνων φαίνεται στο σχήμα (αριστερά). Το 1993, ανακαλύφθηκε μια νέα τάξη νανοσωλήνων άνθρακα, με ένα μόνο στρώμα. Αυτοί οι νανοσωληνίσκοι με ένα τοίχωμα είναι γενικά στενότεροι από τους σωλήνες πολλαπλών περιελίξεων, με διαμέτρους συνήθως στην περιοχή 1-2 nm και τείνουν να είναι καμπυλωμένοι παρά ευθύγραμμοι. Η εικόνα στα δεξιά δείχνει κάποιους τυπικούς σωλήνες με μονό τοίχωμα. Σύντομα διαπιστώθηκε ότι αυτές οι νέες ίνες είχαν μια σειρά εξαιρετικών ιδιοτήτων (βλ. Παρακάτω), και αυτό προκάλεσε μια έκρηξη έρευνας σε νανοσωλήνες άνθρακα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί, ωστόσο, ότι οι νανοκλίμακες άνθρακα, που παράγονται καταλυτικά, ήταν γνωστοί εδώ και πολλά χρόνια πριν από την ανακάλυψη της Iijima. Ο κύριος λόγος για τον οποίο οι εν λόγω πρώιμοι σωλήνες δεν ενθάρρυναν το μεγάλο ενδιαφέρον είναι ότι ήταν δομικά μάλλον ατελείς, επομένως δεν είχαν ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Πρόσφατες έρευνες επικεντρώθηκαν στη βελτίωση της ποιότητας των καταλυτικά παραγόμενων νανοσωλήνων.

Δομή

Η δέσμευση σε νανοσωλήνες άνθρακα είναι sp2, με κάθε άτομο να ενώνονται με τρεις γείτονες, όπως στον γραφίτη. Συνεπώς, οι σωλήνες μπορούν να θεωρηθούν ως φύλλα γκραφίνης που έχουν τυλιχθεί (το graphene είναι ένα ξεχωριστό στρώμα γραφίτη). Υπάρχουν τρεις ξεχωριστοί τρόποι με τους οποίους ένα φύλλο χαρτιού μπορεί να τυλίγεται σε ένα σωλήνα, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα.

structure of nanotubesΤα πρώτα δύο από αυτά, γνωστά ως “πολυθρόνα” (πάνω αριστερά) και “zig-zag” (μεσαία αριστερά), έχουν υψηλό βαθμό συμμετρίας. Οι όροι “πολυθρόνα” και “ζιγκ-ζαγκ” αναφέρονται στη διάταξη εξάγωνων γύρω από την περιφέρεια. Η τρίτη κατηγορία σωλήνων, η οποία στην πράξη είναι η πιο κοινή, είναι γνωστή ως χειρόμορφη, που σημαίνει ότι μπορεί να υπάρχει σε δύο μορφές που σχετίζονται με καθρέφτες. Ένα παράδειγμα ενός στροφικού νανοσωλήνα εμφανίζεται στο κάτω αριστερό μέρος.

 

Η δομή ενός νανοσωλήνα μπορεί να προσδιοριστεί από έναν φορέα, (n, m), ο οποίος καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο τυλίγεται το φύλλο γραφθένου. Αυτό μπορεί να γίνει κατανοητό με αναφορά στο σχήμα στα δεξιά. Για να φτιάξουμε έναν νανοσωλήνα με τους δείκτες (6,3), ας πούμε, το φύλλο είναι τυλιγμένο έτσι ώστε το άτομο που έχει επισημανθεί (0,0) να τοποθετηθεί πάνω από το επισημασμένο (6,3). Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι m = 0 για όλους τους σωλήνες zig-zag, ενώ n = m για όλους τους σωλήνες πολυθρόνας.

Σύνθεση

Η μέθοδος εξατμίσεως τόξου, η οποία παράγει τους καλύτερους ποιοτικούς νανοσωλήνες, περιλαμβάνει τη διέλευση ρεύματος περίπου 50 αμπέρ μεταξύ δύο ηλεκτροδίων γραφίτη σε ατμόσφαιρα ηλίου. Αυτό προκαλεί την εξάτμιση του γραφίτη, μερικά από τα οποία συμπυκνώνονται στα τοιχώματα του δοχείου αντίδρασης και κάποια από αυτά στην κάθοδο. Είναι η απόθεση στην κάθοδο που περιέχει τους νανοσωλήνες άνθρακα. Οι νανοσωλήνες με ένα τοίχωμα παράγονται όταν προστίθενται Co και Ni ή κάποιο άλλο μέταλλο στην άνοδο. Είναι γνωστό από τη δεκαετία του 1950, αν όχι νωρίτερα, ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν επίσης να κατασκευαστούν περνώντας ένα αέριο που περιέχει άνθρακα, όπως ένας υδρογονάνθρακας, πάνω από έναν καταλύτη. Ο καταλύτης αποτελείται από σωματίδια με μέταλλο νανο-μεγέθους, συνήθως Fe, Co ή Ni. Αυτά τα σωματίδια καταλύουν την διάσπαση των αέριων μορίων σε άνθρακα και κατόπιν ένας σωλήνας αρχίζει να αναπτύσσεται με ένα μεταλλικό σωματίδιο στο άκρο. Αποδείχθηκε το 1996 ότι οι νανοσωλήνες με ένα τοίχωμα μπορούν επίσης να παράγονται καταλυτικά. Η τελειότητα των νανοσωλήνων άνθρακα που παράγονται με αυτόν τον τρόπο ήταν γενικά φτωχότερη από εκείνη που έγινε από την εξάτμιση με τόξο, αλλά μεγάλες βελτιώσεις στην τεχνική έχουν γίνει τα τελευταία χρόνια. Το μεγάλο πλεονέκτημα της καταλυτικής σύνθεσης έναντι της εξάτμισης τόξου είναι ότι μπορεί να κλιμακωθεί για την παραγωγή όγκου. Η τρίτη σημαντική μέθοδος για την κατασκευή νανοσωλήνων άνθρακα περιλαμβάνει τη χρήση ενός ισχυρού λέιζερ για την εξάτμιση ενός στόχου μεταλλικού γραφίτη. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή σωλήνων με ένα τοίχωμα με υψηλή απόδοση.

Ιδιότητες

Η ισχύς των δεσμών άνθρακα-άνθρακα sp2 δίνει στους νανοσωλήνες άνθρακα εκπληκτικές μηχανικές ιδιότητες. Η ακαμψία ενός υλικού μετριέται με βάση το μέτρο του Young, το ρυθμό μεταβολής της τάσης με την εφαρμοζόμενη καταπόνηση. Το μέτρο Young των καλύτερων νανοσωλήνων μπορεί να φθάσει τα 1000 GPa που είναι περίπου 5 φορές υψηλότερα από το χάλυβα. Η αντοχή εφελκυσμού ή η σπάσιμο των νανοσωληνίσκων μπορεί να φθάσει τα 63 GPa, περίπου 50 φορές υψηλότερα από τον χάλυβα. Αυτές οι ιδιότητες, σε συνδυασμό με την ελαφρότητα των νανοσωλήνων άνθρακα, τους δίνουν μεγάλες δυνατότητες σε εφαρμογές όπως η αεροδιαστημική. Έχει καν υποδειχθεί ότι οι νανοσωλήνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στον «ανελκυστήρα διαστήματος», ένα καλώδιο Γης-χώρου που προτάθηκε αρχικά από τον Arthur C. Clarke. Οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα είναι επίσης εξαιρετικές. Ιδιαίτερα αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι οι νανοσωλήνες μπορούν να είναι μεταλλικοί ή ημιαγωγικοί ανάλογα με τη δομή τους. Έτσι, μερικοί νανοσωλήνες έχουν αγωγιμότητα μεγαλύτερη από εκείνη του χαλκού, ενώ άλλοι συμπεριφέρονται περισσότερο σαν πυρίτιο. Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τη δυνατότητα κατασκευής ηλεκτρονικών συσκευών νανοκλίμακας από νανοσωλήνες, ενώ σημειώνεται κάποια πρόοδος σε αυτόν τον τομέα. Ωστόσο, προκειμένου να κατασκευαστεί μια χρήσιμη συσκευή θα χρειαζόταν να οργανώσουμε πολλές χιλιάδες νανοσωλήνες με ένα ορισμένο μοτίβο και δεν έχουμε ακόμα τον βαθμό ελέγχου που είναι απαραίτητος για να επιτευχθεί αυτό. Υπάρχουν αρκετοί τομείς τεχνολογίας όπου οι νανοσωλήνες άνθρακα χρησιμοποιούνται ήδη. Αυτές περιλαμβάνουν οθόνες επίπεδης οθόνης, μικροσκόπια ανίχνευσης σάρωσης και συσκευές ανίχνευσης. Οι μοναδικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα θα οδηγήσουν αναμφισβήτητα σε πολλές ακόμη εφαρμογές.

Nanohorns

Οι κώνοι άνθρακα με ένα τοίχωμα με μορφολογίες παρόμοιες με εκείνες των κεφαλών νανοσωλήνων προετοιμάστηκαν αρχικά από τον Peter Harris, τον Edman Tsang και τους συνεργάτες του το 1994 (κάντε κλικ εδώ για να δείτε το χαρτί μας). Κατασκευάστηκαν από θερμικές επεξεργασίες υψηλής θερμοκρασίας από αιθάλη φουλλερενίου – κάντε κλικ εδώ για να δείτε μια τυπική εικόνα. Η ομάδα του Sumio Iijima έδειξε στη συνέχεια ότι μπορούσαν επίσης να παραχθούν με αφαίρεση με λέιζερ από γραφίτη και τους έδωσαν το όνομα “nanohorns”. Αυτή η ομάδα έχει αποδείξει ότι τα nanohorns έχουν αξιοσημείωτες προσροφητικές και καταλυτικές ιδιότητες.

Επιστροφή στην κορυφή

Σύνδεσμοι νανοσωλήνων

Nano sites

Επιστροφή στην κορυφή

Εμπορικοί προμηθευτές νανοσωλήνων άνθρακα και συναφών υλικών

Αποποίηση ευθυνών

Η καταχώριση εταιρειών σε αυτόν τον ιστότοπο δεν συνεπάγεται την επικύρωση συγκεκριμένων εταιρειών ή προϊόντων.

Επιστροφή στην κορυφή

Origional Source : http://www.personal.reading.ac.uk/~scsharip/tubes.htm