Szén nanocsövek

A szén nanocső (röv. CNT) a szén allotróp módosulata , amely egy üreges hengeres szerkezet, amelynek átmérője tíz és több tíz nanométer között van , hossza pedig egy mikrométertől több centiméterig terjed [1] [2] (ugyanakkor Időben vannak olyan technológiák, amelyek lehetővé teszik, hogy korlátlan hosszúságú szálakká szövik őket [ 3] ), amelyek egy vagy több csőbe hengerelt grafénsíkból állnak .

A nanocsövek szerkezete

Bármely egyfalú szén nanocső ábrázolható mintaként egy grafénlapból (amely szabályos hatszögekből álló rács, csúcsaiban szénatomokkal), amelyet egy kiralitási indexnek nevezett számpár (n, m) ad meg. Ebben az esetben a kiralitási indexek (n, m) az R sugárvektor koordinátái a grafénsíkon megadott ferde koordinátarendszerben , amely meghatározza a cső tengelyének a grafénsíkhoz viszonyított tájolását és átmérőjét.

A nanocső átmérőjét a henger átmérőjéből számítjuk ki, amelynek kerülete megegyezik az R vektor hosszával, és kiralitási indexekkel (n, m) fejezzük ki:

D={\frac {{\sqrt {3}}d_{0}}{\pi }}\cdot {\sqrt {n^{2}+m^{2}+nm}}

ahol = 0,142 nm a szomszédos szénatomok távolsága a grafitsíkban. $d_{{0}}$

A kiralitás jelölésének másik módja az α szög jelölése a nanocső hajtogatásának iránya és az irány között, amelyben a szomszédos hatszögeknek közös oldaluk van. Ebben az esetben a legkisebb szöget választjuk úgy, hogy 0° ≤ α ≤ 30°. Ebben az esetben azonban a nanocső geometriájának teljes leírásához meg kell adni az átmérőjét [4] .

A kiralitási indexek (n, m) és az α szög közötti összefüggést a következő képlet adja meg:

\sin {\alpha }={\frac {m{\sqrt {3}}}{2{\sqrt {n^{2}+m^{2}+nm))))

A végek típusától függően a szén nanocsövek azok

nyisd ki;
zárt (félgömbben végződik, ami fél fullerén molekulának tekinthető ).

A rétegek száma szerint a nanocsövek

egyfalú (egy rétegű);
többfalú (sok réteg).

Elektronikus tulajdonságok szerint

fém ( osztva 3-mal) [2] [5] $nm$
félvezető (egyéb n és m)

A kiralitási indexek alapján az egyfalú nanocsöveket 3 típusra osztják:

n \u003d m - „fotel” vagy „fogazott” (fotel), α \u003d 30 °
m = 0 - „cikcakk” (cikcakk), α = 0°
n ≠ m – királis

Az orosz nyelvű irodalomban az α = 0° hibás hozzárendelése a csipkézett nanocsövekhez, és az α = 30° (2n, n) a cikkcakk csövekhez, amely A. V. Jeletszkij áttekintő cikkéből terjedt el [6] .

Egyfalú nanocsövek

Az egyfalú szén nanocsöveket lítium-ion akkumulátorokban, szénszálas anyagokban és az autóiparban használják. Az ólom-savas akkumulátorokban az egyfalú nanocsövek hozzáadása jelentősen megnöveli az újratöltési ciklusok számát. Az egyfalú szén nanocsövek szilárdsági tényezője GPa, acél esetében pedig GPa [7] . $ötven$ $egy$

Mihail Predtechenszkij , az Orosz Tudományos Akadémia akadémikusa által kifejlesztett, egyfalú szén nanocsövek szintézisére szolgáló ipari technológia, az OCSiAl , lehetővé teszi, hogy rendkívül jó minőségű nanocsöveket állítsanak elő, és olyan áron kínálják őket a világpiacra, amely lehetővé teszi azok felhasználását. az iparágban először gazdaságilag megfizethető [8] [9] .

Többfalú nanocsövek

A többfalú (többfalú szén nanocsövek) nanocsövek sokkal szélesebb formákban és konfigurációkban különböznek az egyfalúaktól. A szerkezetek sokfélesége hossz- és keresztirányban egyaránt megnyilvánul.

A "matryoshka" típusú (orosz babák) szerkezete koaxiálisan egymásba ágyazott hengeres csövek halmaza. Ennek a szerkezetnek egy másik típusa a beágyazott koaxiális prizmák halmaza. Végül az utolsó ilyen szerkezet egy tekercshez (tekercshez) hasonlít. ábrán látható összes szerkezetre. a szomszédos grafénrétegek közötti távolság jellemző értéke, közel 0,34 nm, amely a kristályos grafit szomszédos síkjai közötti távolságban rejlik [10] .

A többfalú nanocsövek egyik vagy másik szerkezetének megvalósítása egy adott kísérleti helyzetben a szintézis körülményeitől függ. A rendelkezésre álló kísérleti adatok elemzése azt mutatja, hogy a többfalú nanocsövek legjellemzőbb szerkezete egy olyan szerkezet, amelyben az „orosz fészkelő babák” és „papier-mâché” típusú metszetei felváltva helyezkednek el a hossz mentén. Ebben az esetben a kisebb méretű „csövek” egymás után kerülnek a nagyobbakba [10] . Egy ilyen modellt alátámasztják például a kálium- vagy vas-kloridnak a "csövek közötti" térbe való interkalációjával és a "gyöngy" típusú szerkezetek kialakulásával kapcsolatos tények.

Felfedezési előzmények

A fullerént (C 60 ) Smalley , Kroto és Curl csoportja fedezte fel 1985- ben [11] , amiért ezek a kutatók 1996 -ban kémiai Nobel-díjat kaptak . Ami a szén nanocsöveket illeti, itt nem adható meg pontos felfedezésük dátuma. Jóllehet köztudott, hogy Iijima 1991 -ben megfigyelte a többfalú nanocsövek szerkezetét [ 12] , a szén nanocsövek felfedezésére már korábban is van bizonyíték. Például 1974-1975 -ben Endo és munkatársai [13] számos közleményt publikáltak, amelyekben 100 Å -nél kisebb átmérőjű vékony csöveket írtak le, amelyeket gőzkondenzációval készítettek, de a szerkezet részletesebb vizsgálatára nem került sor. A Szovjetunió Tudományos Akadémia Szibériai Kirendeltsége Katalízis Intézetének tudóscsoportja 1977-ben a vas-króm dehidrogénező katalizátorok karbonizációjának mikroszkóp alatti tanulmányozása során „üreges széndendritek” képződését regisztrálta [14] , míg kialakítási mechanizmust javasoltak, és leírták a falak szerkezetét. 1992 - ben egy cikk jelent meg a Nature folyóiratban [15] , amely szerint 1953 -ban nanocsöveket figyeltek meg . Egy évvel korábban, 1952 -ben Radushkevich és Lukyanovich szovjet tudósok [16] cikke a szén-monoxid vaskatalizátoron történő hőbontásával kapott, körülbelül 100 nm átmérőjű szálak elektronmikroszkópos megfigyeléséről számolt be . Ezeket a vizsgálatokat szintén nem folytatták. 2006- ban szén nanocsöveket fedeztek fel damaszkuszi acélban [17] .

Számos elméleti munka létezik a szén adott allotróp formájának előrejelzésére . [18] -ban Jones (Dedalus) vegyész a tekercselt grafitcsövekről spekulált. L. A. Chernozatonsky és mások [19] Iijima munkásságával egy évben megjelent munkájában szén nanocsöveket kaptak és írtak le, M. Yu. egyfalú szén nanocsöveket pedig 1986 -ban , de nagy rugalmasságukra is utalt [ 19]. 20] .

A szén esetében először fedezték fel a nanorészecskék csövek formájában történő képzésének lehetőségét. Jelenleg hasonló szerkezeteket kaptak bór-nitridből , szilícium-karbidból , átmeneti fém- oxidokból és néhány más vegyületből. A nanocsövek átmérője egytől több tíz nanométerig terjed, hossza pedig eléri a több mikront.

Szerkezeti tulajdonságok

rugalmas tulajdonságok; hibák a kritikus terhelés túllépése esetén:
- a legtöbb esetben egy megsemmisült cellát - a rács hatszögét - ábrázolják , és a helyén ötszög vagy septagon képződik . A grafén sajátosságaiból az következik, hogy a hibás nanocsövek hasonló módon torzulnak, azaz dudorok (5-nél) és nyeregfelületek (7-nél) megjelennek. A legnagyobb érdeklődés ebben az esetben ezeknek a torzulásoknak a kombinációja, különösen azok, amelyek egymással szemben helyezkednek el ( Stone-Wales hiba ) - ez csökkenti a nanocső szilárdságát, de stabil torzulást képez a szerkezetében, amely megváltoztatja az utóbbi tulajdonságait: más szóval a nanocsőben állandó hajlítás képződik.
nyitott és zárt nanocsövek

A nanocsövek elektronikus tulajdonságai

A grafitsík elektronikus tulajdonságai

Reciprok rács, első Brillouin zóna

Az első Brillouin zóna minden K pontját a reciprok rács transzlációs vektora választja el egymástól , tehát valójában mindegyik ekvivalens. Hasonlóképpen, K' minden pontja egyenértékű.

Spektrum a szorosan kötött közelítésben (további részletekért lásd a Graphene részt )

Dirac-pontok (részletekért lásd a Graphene -t )

A grafit egy félfém , amely a fényvisszaverődés természetéből adódóan szabad szemmel is látható . Látható, hogy a p-pályák elektronjai teljesen kitöltik az első Brillouin zónát. Így kiderül, hogy a grafitsík Fermi-szintje pontosan átmegy a Dirac-pontokon, azaz. a teljes Fermi-felület (pontosabban egy vonal a kétdimenziós esetben) két nem egyenértékű pontra degenerálódik.

Ha az elektronok energiája alig tér el a Fermi-energiától , akkor a Dirac-pont közelében lévő elektronok valódi spektruma helyettesíthető egy egyszerű kúpos spektrummal, ami megegyezik a Dirac-egyenletnek 2+1 dimenzióban engedelmeskedő tömeg nélküli részecske spektrumával. .

SU(4) szimmetria

A spektrum átalakítása a sík csővé hajtásakor

Born-Karman peremfeltételek
Hatékony Dirac-egyenlet
Fém és félvezető csövek

A nanocsövek vezetőképességének típusa a kiralitásuktól, vagyis attól a szimmetriacsoporttól függ, amelybe az adott nanocső tartozik, és egy egyszerű szabálynak engedelmeskedik: ha a nanocső indexei egyenlőek egymással, vagy különbségüket elosztjuk hárommal, a A nanocső félfém, minden más esetben félvezető tulajdonságokat mutatnak.

Ennek a jelenségnek az eredete a következő. A grafitsíkot (grafént) végtelenül kiterjesztettként, míg a nanocsövet – ismert fenntartásokkal – egydimenziós objektumként ábrázolhatjuk. Ha egy grafén nanocső töredéket úgy képzelünk el, ahogyan kibontakozik egy grafitlapra, akkor látható, hogy a cső gyűrődésének irányában a megengedett hullámvektorok száma olyan értékekre csökken, amelyeket a kiralitási indexek (a egy ilyen k vektor hossza fordítottan arányos a cső kerületével). Az ábra példákat mutat be fémes és félvezető nanocső megengedett k -állapotaira. Látható, hogy ha a hullámvektor megengedett értéke egybeesik a K ponttal, akkor a nanocső sávmintájában a vegyértéksáv és a vezetési sáv metszéspontja is lesz, és a nanocső félig fémes tulajdonságok, a másik esetben pedig félvezető tulajdonságok [21] .

A spektrum viselkedése longitudinális mágneses tér hatására

Az elektronok kölcsönhatásának számítása

Szupravezetés nanocsövekben

A szén nanocsövek szupravezető képességét francia és orosz kutatók fedezték fel (IPTM RAS, Chernogolovka). Áram-feszültség jellemzők mérését végezték el:

egy különálló egyfalú nanocső, amelynek átmérője ~1 nm;
nagyszámú egyfalú nanocső kötegbe tekercselt;
valamint az egyes többfalú nanocsövek.

4 K közeli hőmérsékleten két szupravezető fémérintkező között áramot figyeltek meg. A hagyományos háromdimenziós vezetőkkel ellentétben a nanocsövekben történő töltésátvitelnek számos olyan jellemzője van, amelyek nyilvánvalóan az átvitel egydimenziós jellegével magyarázhatók (például az R ellenállás kvantálása : lásd a Science-ben megjelent cikket [22]). ).

Excitonok és biexcitonok nanocsövekben

Az exciton (latinul excito - „gerjesztem”) egy hidrogénszerű kvázi részecske, amely egy dielektrikumban vagy félvezetőben lévő elektronikus gerjesztés, amely átvándorol a kristályon, és nem kapcsolódik az elektromos töltés és a tömeg átviteléhez.

Bár az exciton egy elektronból és egy lyukból áll, független elemi (nem redukálható) részecskének kell tekinteni olyan esetekben, amikor egy elektron és egy lyuk kölcsönhatási energiája azonos nagyságrendű a mozgásuk energiájával, és két exciton közötti kölcsönhatási energia kicsi mindegyik energiájához képest. Az exciton elemi kvázi részecskének tekinthető azokban a jelenségekben, amelyekben egész képződményként működik, amely nincs kitéve az elpusztítására képes hatásoknak.

A biexciton két exciton kötött állapota. Valójában ez egy exciton molekula.

Először S. A. Moskalenko és M. A. Lampert írta le egymástól függetlenül az exciton molekula kialakításának lehetőségét és egyes tulajdonságait.

A biexciton képződése az optikai abszorpciós spektrumokban jelenik meg diszkrét sávok formájában, amelyek egy hidrogénszerű törvény szerint a rövid hullámhosszú oldal felé konvergálnak. A spektrumok ilyen szerkezetéből az következik, hogy a biexcitonok nemcsak alapállapotának, hanem gerjesztett állapotának kialakulása is lehetséges.

A biexciton stabilitása magának az excitonnak a kötési energiájától, az elektronok és lyukak effektív tömegének arányától és anizotrópiájától függ.

A biexciton képződési energia kevesebb, mint kétszerese az exciton energiájának a biexciton kötési energia értékével.

A nanocsövek optikai tulajdonságai

A szén nanocsövek félvezető módosításai (a kiralitási indexek különbsége nem háromszorosa) közvetlen rés félvezetők. Ez azt jelenti, hogy az elektron -lyuk párok közvetlen rekombinációja léphet fel bennük, ami egy foton kibocsátásához vezet . A közvetlen sávköz automatikusan magában foglalja a szén nanocsöveket az optoelektronikai anyagok között .

A félvezető nanocsövek látható és infravörös tartományban bocsátanak ki optikai ( fotolumineszcencia ) vagy elektromos gerjesztés ( elektrolumineszcencia ) hatására [23] . A nanocsövek a kvantumpontokkal és a fluoreszcens molekulákkal együtt egyedi fotonok forrásai lehetnek, amit kriogén körülmények között [24] és szobahőmérsékleten is kimutattak funkcionalizált nanocsövek esetében [25] . Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a nanocsöveket potenciális sugárforrásnak tekintsük [26] a kvantumszámítás során .

A nanocsövek memrisztor tulajdonságai

2009-ben Yao, Zhang és munkatársai [27] dielektromos hordozóra helyezett egyfalú, vízszintesen orientált szén nanocsöveken alapuló memrisztort mutattak be . A memrisztor hatás megnyilvánulása a bemutatott szerkezetben a CNT-k dielektromos szubsztrátummal való kölcsönhatásának és a töltéshordozók befogásának köszönhető a CNT/SiO2 határfelületen.

2011-ben Vasu, Sampath és mások [28] felfedezték a memrisztor-effektust egy sor tévesen orientált MWCNT-n. Megállapítást nyert, hogy a rezisztív kapcsolás a tömbben az elektromos tér által orientált CNT-kből származó vezető csatornák kialakulásának köszönhető.

2013-ban Ageev, Blinov és munkatársai [29] egy pásztázó alagútmikroszkópiával végzett tanulmányban számoltak be memrisztor-effektus felfedezéséről függőlegesen orientált szén nanocső nyalábokon . Később, 2015-ben ugyanez a tudóscsoport megmutatta az ellenállásos kapcsolás lehetőségét az egyes függőlegesen elhelyezett CNT-kben. A felfedezett memrisztor-effektus azon alapult, hogy a CNT deformációja során belső elektromos mező jelent meg [30] .

Az interkalált nanocsövek tulajdonságai

A nanocsövek lehetséges alkalmazásai

Mechanikai alkalmazások: nagy teherbírású filamentumok, kompozit anyagok , nanomérlegek.
Alkalmazások a mikroelektronikában: tranzisztorok , nanovezetékek, nanoantennák [31] , átlátszó vezető felületek, üzemanyagcellák .
Kapcsolatok létrehozása a biológiai neuronok és az elektronikus eszközök között a legújabb agy -számítógépes fejlesztésekben.
Kapilláris alkalmazások: kapszulák aktív molekulákhoz, fémek és gázok tárolására, nanopipetták.
Optikai alkalmazások: kijelzők , LED -ek .
Gyógyászat (aktív fejlesztés alatt).
Az egyfalú nanocsövek (egyedi, kis szerelvényekben vagy hálózatokban) miniatűr szenzorok molekulák detektálására gáznemű közegben vagy oldatokban, amelyek ultra-nagy érzékenységűek - amikor a molekulák adszorbeálódnak a nanocső felületén, annak elektromos ellenállása is. mint a nanotranzisztor jellemzői, változhatnak. Az ilyen nanoszenzorok felhasználhatók környezeti megfigyelésre, katonai, orvosi és biotechnológiai alkalmazásokra.
Space Elevator Tether : A nanocsövek elméletileg hatalmas súlyokat képesek elviselni – akár egy tonnát négyzetmilliméterenként. Azonban még nem sikerült kellően hosszú, egy atom falvastagságú széncsöveket előállítani [32] , ami miatt viszonylag rövid nanocsövekből szőtt szálakat kell alkalmazni, ami csökkenti a végső szilárdságot.
A szén nanocsövek lapjait lapos, átlátszó hangszóróként lehet használni, erre a következtetésre jutottak kínai tudósok [33]
mesterséges izmok. Paraffint fecskendezve egy csavart nanocsövek filamentumába a Texasi Egyetem kutatóiból álló nemzetközi csapatnak sikerült egy mesterséges izmot létrehoznia, amely 85-ször erősebb, mint az ember [34]
Áramfejlesztők és motorok. A paraffin- és széncsövek szálai képesek hő- és fényenergiát elnyelni, és mechanikai energiává alakítani. A tapasztalat azt mutatja, hogy ezek a fonalak több mint millió csavarási/letekercselési ciklust képesek kibírni 12 500 fordulat/perc sebességgel vagy 1200 tömörítési/nyújtási ciklus percenként látható kopásnyomok nélkül. [35] Az ilyen szálak felhasználhatók a napfényből származó energia előállítására.
Aktuális források. Az egyfalú szén nanocsövek lítium-ion akkumulátorokban vezető adalékként történő felhasználása lehetővé teszi az aktív anyag százalékos arányának növelését az elektróda összetételében, ami az áramforrás energiaintenzitásának növelését jelenti. Tanulmányok szerint az OCSiAl által gyártott TUBALL nanocsövek segítségével 10 Ah-s prizmás akkumulátorokban 10%-os volumetrikus energiafelhasználás növekedés érhető el [36] [37] . Az ilyen egyfalú nanocsövek 0,001–0,01%-ának hozzáadása az ólom-savas akkumulátorok elektródapasztájához viszont négyszeresére növelheti az akkumulátor élettartamát, és pozitívan befolyásolja egyéb tulajdonságait is [38] .
Az egyfalú szén nanocsövek sokoldalú vezetőképes adalékok. Az anyag össztömegének alacsony koncentrációja – 0,01%-tól – elektromos vezetőképességet biztosít, és javítja a műanyagok, elasztomerek, kompozitok és bevonatok fizikai és mechanikai tulajdonságait anélkül, hogy károsan befolyásolná a színt, a reológiai és egyéb jellemzőket [39] .
A polimerek elektromos vezetőképességének biztosítása. A polimerekbe mikroszkopikus mennyiségben bevitt szén nanocsövek lehetővé teszik elektromos ellenállásuk több tízezerszeres csökkentését - a "több száz megaohm - egy gigaohm" értéktartománytól a viszonylag kis "egy - tíz kiloohm" értékig. ". Ezt a tulajdonságot arra használják, hogy megakadályozzák a statikus elektromosság felhalmozódását polimer anyagokon.

Szén nanocsövek megszerzése

A szén nanocsövek (CNT) szintézisére szolgáló módszerek kidolgozása a szintézis hőmérsékletének csökkentését követte. A fullerének előállítására szolgáló technológia megalkotása után azt találták, hogy a grafitelektródák elektromos ívpárolgása során a fullerének képződésével együtt kiterjesztett hengeres szerkezetek képződnek [40] . Sumio Iijima mikroszkópos volt az első, aki transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) segítségével azonosította ezeket a szerkezeteket nanocsövekként. A CNT-k előállításának magas hőmérsékletű módszerei közé tartozik az elektromos ív módszer. Ha egy grafitrudat ( anódot ) elektromos ívben elpárologtatunk, akkor a szemközti elektródán ( katódon ) kemény szén-lerakódás (lerakódás) képződik, amelynek lágy magjában többfalú, 15-es átmérőjű CNT-k találhatók. 20 nm és 1 mikronnál nagyobb hosszúságú.

CNT-k képződését fullerén koromból a koromra gyakorolt magas hőmérsékletű termikus hatás hatására először az oxfordi [41] és a svájci [42] csoport figyelte meg . Az elektromos ívszintézis berendezése fémigényes, energiaigényes, de univerzális különféle szén nanoanyagok előállítására. Jelentős probléma az ívégetés során a folyamat egyensúlyhiánya. Az elektromos ív módszer egy időben a lézeres elpárologtatás ( lézeres abláció ) módszerét váltotta fel. Az ablációs egység egy hagyományos rezisztív fűtésű kemence, amely 1200°C hőmérsékletet biztosít. A magasabb hőmérséklet eléréséhez elegendő egy széncélpontot a sütőbe helyezni, és lézersugarat irányítani rá, felváltva pásztázva a célpont teljes felületét. Így Smalley csoportja drága, rövid impulzusú lézeres berendezéseket alkalmazva nanocsövekhez jutott 1995-ben, „jelentősen leegyszerűsítve” a szintézis technológiáját [43] .

A CNT-k hozama azonban alacsony maradt. Kis mennyiségű nikkel és kobalt (0,5 atm.%) hozzáadása a grafitba lehetővé tette a CNT-k hozamának 70-90%-ra történő növelését [44] . Ettől a pillanattól kezdve új szakasz kezdődött a nanocsövek kialakulásának mechanizmusának koncepciójában. Nyilvánvalóvá vált, hogy a fém növekedési katalizátor . Így jelentek meg az első munkák a nanocsövek alacsony hőmérsékletű eljárással - szénhidrogének katalitikus pirolízisének ( CVD ) módszerével, ahol egy vascsoportba tartozó fém részecskéit használták katalizátorként . A nanocsövek és nanoszálak CVD módszerrel történő előállításának egyik beépítési lehetősége egy reaktor, amelybe inert vivőgázt vezetnek, amely a katalizátort és a szénhidrogént a magas hőmérsékletű zónába szállítja.

Leegyszerűsítve a CNT növekedési mechanizmusa a következő. A szénhidrogén hőbomlása során keletkező szén feloldódik a fém nanorészecskében. Amikor a részecskében magas szénkoncentrációt érünk el, a katalizátorrészecske egyik oldalán a felesleges szén energetikailag kedvező „kibocsátása” megy végbe egy torz félfullerén kupak formájában. Így születik egy nanocső. A lebomlott szén továbbra is bejut a katalizátorrészecskébe, és ahhoz, hogy koncentrációjának feleslegét az olvadékban felszabaduljon, folyamatosan ártalmatlanítani kell. Az olvadék felszínéről felszálló félgömb (szemifullerén) magával viszi az oldott szénfelesleget, melynek az olvadékon kívüli atomjai C-C kötést alkotnak, amely egy hengeres váz-nanocső.

Egy nanoméretű részecske olvadási hőmérséklete a sugarától függ. Minél kisebb a sugár, annál alacsonyabb az olvadási hőmérséklet a Gibbs-Thompson-effektus miatt [45] . Ezért a körülbelül 10 nm méretű vas nanorészecskék olvadt állapotban vannak 600 °C alatt. Jelenleg a CNT-k alacsony hőmérsékletű szintézise acetilén katalitikus pirolízisével Fe-részecskék jelenlétében 550 °C-on. A szintézis hőmérsékletének csökkentése negatív következményekkel is jár. Alacsonyabb hőmérsékleten nagy átmérőjű (körülbelül 100 nm) és erősen hibás szerkezetű CNT-ket kapnak, például "bambusz" vagy "beágyazott nanokúpok". A kapott anyagok csak szénből állnak, de meg sem közelítik a lézeres ablációval vagy elektromos ívszintézissel nyert egyfalú szén nanocsövekben megfigyelt rendkívüli jellemzőket (például Young-modulus ).

A CVD egy jobban szabályozható módszer, amely lehetővé teszi a széncsövek növekedési helyének és geometriai paramétereinek szabályozását [46] ] bármilyen típusú hordozón. Annak érdekében, hogy a szubsztrát felületén egy sor CNT-t kapjunk, először katalizátorrészecskéket hoznak létre a felületen annak rendkívül kis mennyiségének kondenzálásával. A katalizátor képzése lehetséges katalizátort tartalmazó oldatból kémiai leválasztással, termikus bepárlással, ionsugár-porlasztással vagy magnetronporlasztással. Az egységnyi felületre jutó kondenzált anyag mennyiségének jelentéktelen változása jelentős változást okoz a katalitikus nanorészecskék méretében és számában, és ezért olyan CNT-k képződéséhez vezet, amelyek átmérőjük és magasságuk eltérő a szubsztrát különböző területein. A CNT-k szabályozott növekedése lehetséges, ha Ct-Me-N ötvözetet használunk katalizátorként, ahol a Ct (katalizátor) a Ni, Co, Fe, Pd csoportból van kiválasztva; Me (kötőanyag) - Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re; N (nitrogén). A katalitikus fémek és az elemek periódusos rendszerének V–VII. csoportjába tartozó fémek ötvözeteinek fóliáin történő CNT-növekedési folyamat vonzereje a folyamat szabályozására szolgáló tényezők széles skálájában rejlik, ami lehetővé teszi a katalitikus fémek paramétereinek szabályozását. CNT tömbök, például magasság, sűrűség és átmérő. Ötvözetfóliák használata esetén a CNT növekedés lehetséges különböző vastagságú és vezetőképességű vékony filmeken. Mindez lehetővé teszi ennek a folyamatnak az integrált technológiákba való integrálását [47] .

Szálak széncsövekből

A CNT-k gyakorlati alkalmazására jelenleg olyan módszert keresnek, amivel ezek alapján meghosszabbított szálakat lehet létrehozni, amelyeket viszont sodrott huzallá lehet szőni. Szén nanocsövekből már sikerült olyan kiterjesztett szálakat létrehozni, amelyek elektromos vezetőképessége és szilárdsága meghaladja az acélt [48] .

Nanocső toxicitás

Az elmúlt évek kísérleti eredményei azt mutatták, hogy a hosszú, többfalú szén nanocsövek (MWNT) az azbesztszálakhoz hasonló reakciót válthatnak ki . Az azbeszt kinyerésével és feldolgozásával foglalkozó embereknél többszörösen nagyobb eséllyel alakulnak ki daganatok és tüdőrák, mint a lakosság körében. A különböző típusú azbesztszálak rákkeltő hatása nagyon eltérő, és a szálak átmérőjétől és típusától függ. Kis súlyuk és méretük miatt a szén nanocsövek a levegővel együtt behatolnak a légutakon. Ennek eredményeként a pleurában koncentrálódnak. A kis részecskék és a rövid nanocsövek a mellkasfal pórusain (3-8 µm átmérőjű) távoznak, míg a hosszú nanocsövek visszatarthatók, és idővel kóros elváltozásokat okozhatnak.

Az egyfalú szén nanocsövek (SWCNT) egértáphoz való hozzáadásával végzett összehasonlító kísérletek nem mutattak ki észrevehető reakciót az utóbbiakból a mikron nagyságrendű nanocsövek esetében. Ugyanakkor az egerek táplálékához többfalú szén nanocsövek hozzáadásával végzett kísérlet azt mutatta, hogy ebben az esetben a vékonybél boholyainak finom szerkezetében jelentős változások következnek be, számnövekedés formájában. az elpusztult bolyhok és az epitheliocyták proliferációja [49] .

2016-ban európai szakértők egy sor tanulmányt készítettek az egyfalú szén nanocsövek természetéről és tulajdonságairól, és ajánlásokat dolgoztak ki a velük való munkavégzés konkrét módszereire vonatkozóan. Ennek eredményeként a novoszibirszki OCSiAl által gyártott TUBALL nanocsövek lettek az első SWCNT-k, amelyeket az Európai Unió REACH-rendeletének megfelelően regisztráltak, és Európában ipari méretekben – akár évi 10 tonnáig – engedélyezték a gyártást és felhasználást [50] .

Katalizátorok tisztítása

A nanoméretű fémkatalizátorok számos hatékony módszer fontos összetevői a CNT-k szintézisében, és különösen a CVD-eljárásokban . Bizonyos mértékig lehetővé teszik a kapott CNT-k szerkezetének és kiralitásának szabályozását is. [51] A szintézis során a katalizátorok széntartalmú vegyületeket csőszerű szénné alakíthatnak át, miáltal jellemzően maguk is részben kapszulázódnak grafitizált szénrétegekkel. Így a kapott CNT termék részévé válhatnak. [52] Az ilyen fémes szennyeződések sok CNT-alkalmazásnál problémát jelenthetnek. Az olyan katalizátorok, mint a nikkel , kobalt vagy ittrium , például toxikológiai problémákat okozhatnak. [53] Míg a nem kapszulázott katalizátorok viszonylag könnyen kimoshatók ásványi savakkal , a kapszulázott katalizátorok oxidatív előkezelést igényelnek a katalizátorok bevonóhéjának felnyitásához. [54] A katalizátorok, különösen a kapszulázottak hatékony eltávolítása a CNT szerkezetének megőrzése mellett összetett és időigényes eljárás. Számos CNT-tisztítási lehetőséget már tanulmányoztak és egyedileg optimalizáltak a használt CNT-k minőségéhez. [55] [56] A CNT-k tisztításának új megközelítése, amely lehetővé teszi a kapszulázott fémkatalizátorok egyidejű felnyitását és elpárologtatását, a CNT-k és szennyeződéseik rendkívül gyors felmelegítése termikus plazmában. [57]

Jegyzetek

↑ A laboratórium világrekordot nőtt a szén nanocső hosszúságával
↑ 1 2 nanocső, szén . thesaurus.rusnano.com. Hozzáférés időpontja: 2017. november 14. (határozatlan)
↑ Nanocsőszálak fonása a Rice Egyetemen – YouTube . Letöltve: 2013. január 27. (határozatlan)
↑ Iijima, S. és Ichihashi, T. (1993) Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Nature, 363, 603-605. http://dx.doi.org/10.1038/363603a0
↑ Noriaki Hamada, Shin-ichi Sawada, Atsushi Oshiyama. Új egydimenziós vezetők: Graphitic microtubules // Physical Review Letters. - 1992-03-09. - T. 68 , sz. 10 . - S. 1579-1581 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.68.1579 .
↑ Szén nanocsövek, A. V. Eletsky, UFN, 1997. szeptember, 167. vers, 9. sz., Art. 955
↑ Alexander Grek Tűz, víz és nanocsövek // Popular Mechanics . - 2017. - 1. sz. - S. 39-47.
↑ Egyfalú szén nanocsövek alacsony költségű, méretezhető gyártása és alkalmazása "SF Bay Area Nanotechnology Council " . sites.ieee.org. Hozzáférés időpontja: 2017. szeptember 21.
↑ OCSiAl . ocsial.com. Hozzáférés időpontja: 2017. szeptember 21. (Orosz)
↑ 1 2 Szén nanocsövek és emissziós tulajdonságaik, A. V. Yeletsky, UFN, 2002. április, 172. kötet, 4. szám, art. 408
↑ HW Kroto, JRHeath, SC O'Brien, RF Curl, RE Smalley, C60: Buckminsterfullerene, Nature 318 162 (1985)
↑ S. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature 354 56 (1991)
↑ A. Oberlin, M. Endo és T. Koyama. Grafitizált szénszálak nagy felbontású elektronmikroszkópos megfigyelései Carbon, 14, 133 (1976)
↑ Buyanov R. A., Chesnokov V. V., Afanasiev A. D., Babenko V. S. A szénlerakódások kialakulásának karbid mechanizmusa és tulajdonságai vas-króm dehidrogénező katalizátorokon // Kinetics and catalysis 1977. Vol. 18. S. 1021 .
↑ JAE Gibson. korai nanocsövek? Nature 359, 369 (1992)
↑ L. V. Raduskevich és V. M. Lukyanovich. A szén-monoxid hőbomlása során keletkező szén szerkezetéről vasérintkezőn. ZhFKh, 26, 88 (1952)
↑ Szén nanocsövek damaszkuszi acélból
↑ D.E.H. Jones (Daedalus). New Scientist 110 80 (1986)
↑ Z. Ya. Kosakovskaya, L. A. Csernozatonsky, E. A. Fedorov. Nanoszálas karbon szerkezet. JETP Lett. 56 26 (1992)
↑ M. Yu. Kornyilov. Cső alakú szén kell. Kémia és élet 8 (1985)
↑ Chernozatonsky L. A. Sorokin P. B. Szén nanocsövek: az alapkutatástól a nanotechnológiáig / Pod. szerk. Yu.N. Bubnov. - M . : Nauka, 2007. - S. 154-174. - ISBN 978-5-02-035594-1 .
↑ Tudomány (Frank et al., Science, 280. kötet, 1744. o.); 1998
↑ Vasili Perebeinos, Marcus Freitag, Phaedon Avouris. Szén-nanocső fotonika és optoelektronika (angol) // Nature Photonics. — 2008-06. — Vol. 2 , iss. 6 . - P. 341-350 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2008.94 .
↑ Alexander Högele, Christophe Galland, Martin Winger, Atac Imamoğlu. Fotonok összevonása egyetlen szén nanocső fotolumineszcencia spektrumában // Physical Review Letters. - 2008-05-27. - T. 100 , sz. 21 . - S. 217401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.217401 .
↑ Stephen K. Doorn, Han Htoon, Hiromichi Kataura, Takeshi Tanaka, Atsushi Hirano. Hangolható szobahőmérsékletű egyfoton emisszió távközlési hullámhosszon a szén nanocsövek sp3 hibáiból // Nature Photonics. — 2017-09. — Vol. 11 , iss. 9 . - P. 577-582 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2017.119 .
↑ Wolfram HP Pernice, Ralph Krupke, Carsten Rockstuhl, A. Korneev, G. Gol'tsman. Teljesen integrált kvantumfotonikus áramkör elektromos meghajtású fényforrással // Nature Photonics. — 2016-11. — Vol. 10 , iss. 11 . - P. 727-732 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2016.178 .
↑ Yao, jún; Jin, Zhong; Zhong, Lin; Natelson, Douglas; Tour, James M. Egyfalú szén nanocsöveken alapuló kétterminális nem felejtő emlékek // ACS Nano : folyóirat. - 2009. - december 22. ( 3. köt. , 12. sz.). - P. 4122-4126 . doi : 10.1021 / nn901263e .
↑ Vasu, K.S.; Sampath, S.; Sood, AK Nem illékony unipoláris rezisztív kapcsolás grafén és szén nanocsövek ultravékony filmjeiben // Solid State Communications : folyóirat. - 2011. - augusztus ( 151. évf. , 16. sz.). - P. 1084-1087 . - doi : 10.1016/j.ssc.2011.05.018 .
↑ Ageev, OA; Blinov, Yu F.; Il'in, OI; Kolomiicev, AS; Konoplev, BG; Rubaskina, M. V.; Szmirnov, V. A.; Fedotov, AA Memristor-effektus pásztázó alagútmikroszkóppal tesztelt függőlegesen elhelyezett szén nanocsövek kötegeire // Technical Physics : Journal. - 2013. - december 11. ( 58. évf. , 12. sz.). - P. 1831-1836 . - ISSN 1063-7842 . - doi : 10.1134/S1063784213120025 .
↑ Ageev, OA; Blinov, Yu F.; Il'in, OI; Konoplev, BG; Rubaskina, M. V.; Szmirnov, V. A.; Fedotov, AA Függőlegesen elhelyezett szén nanocsövek rezisztív kapcsolásának tanulmányozása pásztázó alagútmikroszkóppal // A szilárdtest fizikája : folyóirat. - 2015. - április 16. ( 57. évf. , 4. sz.). — P. 825-831 . — ISSN 1063-7834 . - doi : 10.1134/S1063783415040034 .
↑ Slyusar, V.I. Nanoantennák: megközelítések és kilátások. - C. 58 - 65. . Elektronika: tudomány, technológia, üzlet. - 2009. - No. 2. C. 58 - 65 (2009). (határozatlan)
↑ Hírek @ Mail.Ru: A kínaiak mindenkit megkerültek - 18,5 centiméter hosszú
↑ Nano Letters: Rugalmas, nyújtható, átlátszó szén nanocsöves vékonyfilmes hangszórók archiválva 2008. november 1-én a Wayback Machine -nél (2008. október 29.)
↑ iScience.ru - A jövő már itt van, híreinkben Mesterséges izmok szénből és paraffinból | iScience.ru — Híreink szerint már itt van a jövő. Tudományos hírek
↑ Hibrid szén nanocső fonalizmok elektromosan, kémiailag és fotonikusan hajtott torziós és szakítós működtetése: http://www.sciencemag.org/content/338/6109/928 Tudomány, 2012. november 16.: Vol. 338 sz. 6109 pp. 928-932 DOI: 10.1126/tudomány.1226762
↑ 360-as koncepció. Egy lépés előre az akkumulátor energiasűrűségének alakulásában | Konsztantyin Tikhonov, OCSiAl | ees International . www.ees-magazine.com. Hozzáférés időpontja: 2017. szeptember 21.
↑ SWCNT vs MWCNT és nanofibers. Alkalmazások lítium-ion akkumulátorokban és átlátszó vezető fóliákban (PDF letölthető ) . kutatókapu. Hozzáférés időpontja: 2017. szeptember 21.
↑ A szén nanocsövek „látványos ” javulást eredményeznek az ólomelemekben , Batteries International . Letöltve: 2017. szeptember 21.
↑ Hatalmas jövő az aprócsövek számára (angolul) (downlink) . www.specchemonline.com. Letöltve: 2017. szeptember 21. Az eredetiből archiválva : 2017. március 30.
↑ Iijima S, Nature (London), 354, 56 (1991).
↑ Peter JF Harris egyáltalán. "Arc-evaporációval előállított mikroporózus szén nagy felbontású elektronmikroszkópos vizsgálatai" // J. CHEM. SOC. FARADAY TRANS., 90(18), pp. 2799-2802, (1994).
↑ W.A. de Heer és D. Ugarte. "A szénkorom hőkezelésével előállított szénhagyma és kapcsolatuk a 217,5 nm-es csillagközi abszorpciós jellemzővel" // Chem. Phys. Lett. 207, 480-486 (1993).
↑ Guo T, Nikolaev P, Rinzler D, Tomanek DT, Colbert DT, Smalley R. "Self-Assembly of Tubular Fullerenes" // J. Phys. Chem. 99:10694-7 (1995).
↑ V. Ivanov egyáltalán. "Fulerén léptékű átmérőjű nanotubulusok katalitikus előállítása és tisztítása". Carbon 33, 12, 1727-1738 (1995).
↑ P.R. Couchman és W.A. Jesser. "Fémek olvadási hőmérsékletének méretfüggésének termodinamikai elmélete". Nature 269, 481-483 (1977).
↑ Xu, F., Zhao, H., Tse, SD Szén nanocső szintézis katalitikus fémötvözeteken metán/levegő ellenáramú diffúziós lángokban // Proceedings of the Combustion Institute : cikk. - 2007. - Vol. 31 . - P. 1839-1847 .
↑ Pawel Mierczynski, Sergey V. Dubkov, Sergey V. Bulyarskii, Alexander A. Pavlov, Sergey N. Skorik. Szén nanocső tömbök növekedése különböző CtxMey ötvözet fóliákon vegyi gőzleválasztásos módszerrel // Journal of Materials Science & Technology. - doi : 10.1016/j.jmst.2017.01.030 .
↑ Szén nanocsövek elektromosan vezető szálba fonva
↑ Többrétegű szén nanocsövek hatásának értékelése egerek vékonybélének morfofunkcionális sejtállapotára . cyberleninka.ru. Hozzáférés időpontja: 2017. szeptember 21. (határozatlan)
↑ Az egyfalú szén nanocsövek REACH regisztrációja befejeződött // PCI Magazine. - 2016. - október 16. Az eredetiből archiválva : 2016. november 24.
↑ Yamada T., Namai T., Hata K., Futaba D.N., Mizuno K., Fan J. et al. Duplafalú szén nanocső erdők méretszelektív növekedése mérnöki vaskatalizátorokból // Nature Nanotechnology : Journal . - 2006. - Vol. 1 . - 131-136 . o . - doi : 10.1038/nnano.2006.95 .
↑ MacKenzie KJ, Dunens OM, Harris AT Frissített áttekintés a fluidágyas szén nanocsövek szintézis paramétereiről és növekedési mechanizmusairól // Industrial & Engineering Chemical Research : folyóirat. - 2010. - 20. évf. 49 . - P. 5323-5338 . - doi : 10.1021/ie9019787 .
↑ Jakubek LM, Marangoudakis S., Raingo J., Liu X., Lipscombe D., Hurt RH A neuronális kalciumion-csatornák gátlása szén nanocsövekből felszabaduló ittrium nyomokban // Biomaterials : Journal. - 2009. - 1. évf. 30 . - P. 6351-6357 . - doi : 10.1016/j.bioanyagok.2009.08.009 .
↑ Hou PX, Liu C., Cheng HM. Szén nanocsövek tisztítása // Szén. — Elsevier , 2008. — 20. évf. 46 . - P. 2003-2025 . - doi : 10.1016/j.carbon.2008.09.009 .
↑ Ebbesen TW, Ajayan PM, Hiura H., Tanigaki K. Purification of nanotubes // Nature . - 1994. - 1. évf. 367 . - 519. o . - doi : 10.1038/367519a0 .
↑ Xu YQ, Peng H., Hauge RH, Smalley RE Egyfalú szén nanocsövek kontrollált többlépcsős tisztítása // Nano Letters : folyóirat. - 2005. - 20. évf. 5 . - 163-168 . o . - doi : 10.1021/nl048300s .
↑ Meyer-Plath A., Orts-Gil G., Petrov S et al. Szén nanocsövek plazma-termikus tisztítása és lágyítása // Szén : folyóirat. — Elsevier , 2012. — 20. évf. 50 . - P. 3934-3942 . - doi : 10.1016/j.carbon.2012.04.049 .

Lásd még

Irodalom

Lozovik Yu.E., Popov A.M. Szén nanostruktúrák kialakulása és növekedése - fullerének, nanorészecskék, nanocsövek és kúpok // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Orosz Tudományos Akadémia , 1997. - T. 167 , 7. sz . - S. 751-774 . (Orosz)
Lozovik Yu.E., Popov A.M. A nanocsövek tulajdonságai és nanotechnológiai alkalmazásai // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Orosz Tudományos Akadémia , 2007. - T. 177 . - S. 786-799 . (Orosz)
Dyachkov P.N. Szén nanocsövek: szerkezet, tulajdonságok, alkalmazások. — M .: Binom, 2006. — 293 p.
Slyusar, V.I. Nanoantennák: megközelítések és kilátások. - C. 58 - 65. . Elektronika: tudomány, technológia, üzlet. - 2009. - No. 2. C. 58 - 65 (2009). (határozatlan)

Linkek

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy katalán nagy kínai Britannica (online) Britannica (online) Universalis
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4581365-6 J9U : 987007572833305171 LCCN : sh2013002061 NDL : 00722909

A szén allotrópiája
sp 3	gyémánt Lonsdaleite
sp 2	Grafit Grafén fullerén Nanokonok Nanocsövek Astralens
sp	Karabély
vegyes sp 3 /sp 2	üveges szén nanohab
Egyéb	C1_ _ C2_ _ C3_ _ Nanoszálak fullerit
hipotetikus	fémes szén Chaoite
összefüggő	Korom korom Szén ( fosszilis Fás aktiválva )