Углеродная нанотрубка
-
История открытия углеродных нанотрубок
- В 1952 году Л. В. Радушкевич и В. М. Лукьянович опубликовали изображения трубок диаметром 50 нанометров.
- В 1976 году Моринобу Эндо наблюдал полые трубки из свернутых графитовых листов.
- В 1979 году Джон Абрахамсон представил доказательства существования углеродных нанотрубок.
- В 1981 году советские ученые опубликовали результаты химической и структурной характеристики углеродных наночастиц.
- В 1987 году Говард Дж. Патент получил патент на получение углеродных нанотрубок.
-
Основные свойства углеродных нанотрубок
- Углеродные нанотрубки обладают исключительной прочностью на растяжение и теплопроводностью.
- Некоторые структуры из ОУНТ обладают высокой электропроводностью, другие являются полупроводниками.
- Углеродные нанотрубки могут быть химически модифицированы.
-
Применение углеродных нанотрубок
- Ожидается, что свойства углеродных нанотрубок будут полезны в электронике, оптике, композитных материалах и нанотехнологиях.
- Углеродные нанотрубки могут заменить или дополнить углеродные волокна.
-
Структура углеродных нанотрубок
- Одностенные углеродные нанотрубки имеют диаметр около 0,5-2,0 нанометров.
- Многостенные углеродные нанотрубки состоят из вложенных одностенных нанотрубок.
- Углеродные нанотрубки могут иметь различные конфигурации, такие как зигзаг и кресло.
-
Синтез углеродных нанотрубок
- В 1993 году Иидзима и Итихаши, а также Бетьюн и другие сотрудники IBM независимо обнаружили, что совместное испарение углерода и переходных металлов может катализировать образование ОУНТ.
- Тесс и др. усовершенствовали метод, выпарив комбинацию углерод/переходный металл в высокотемпературной печи.
-
Археологические находки
- В 2020 году в Индии была обнаружена керамика возрастом около 2600 лет с покрытием из углеродных нанотрубок.
-
Структура углеродных нанотрубок
- Векторы u и v соединяют атом графена с ближайшими атомами.
- Вектор w соединяет A1 и A2, где A2 может быть в любом положении.
- Пары (n,m) определяют возможные положения A2.
-
Типы нанотрубок
- Структура нанотрубки не меняется при вращении на 60 градусов.
- Пары (k,0) и (0,k) описывают одну и ту же геометрию.
- Каждая нанотрубка имеет ровно одну пару (n,m), удовлетворяющую условиям.
-
Хиральность и зеркальная симметрия
- Нанотрубка хиральна, если m > 0 и m ≈ n.
- Единственные ахиральные типы: (k,0) и (k,k).
- Угол α между u и w называется «хиральным углом».
-
Окружность и диаметр
- Длина окружности c равна длине вектора w.
- Диаметр d равен c/π.
- Угол наклона α и окружность c связаны с индексами типа n и m.
-
Физические ограничения
- Самые узкие нанотрубки имеют диаметр около 0,3 нм.
- Самая тонкая отдельно стоящая нанотрубка имеет диаметр около 0,43 нм.
- Самые длинные нанотрубки выращены на кремниевых подложках и имеют длину около 0,5 метра.
-
Варианты и многостенные нанотрубки
- Многостенные нанотрубки состоят из множества свернутых слоев графена.
- Модель Russian Doll: одностенная нанотрубка внутри другой.
- Модель «Пергамент»: один лист графита сворачивается вокруг себя.
- DWNTS устойчивы к химическим веществам и могут использоваться в наноэлектромеханических системах.
-
Соединения и сшивка
- Соединения между нанотрубками часто наблюдаются в образцах.
- Соединения могут быть компонентами электронных схем.
-
Соединения нанотрубок и графена
- Соединения образуют столбчатый графен
- Столбчатый графен — трехмерные архитектуры из углеродных нанотрубок
-
Использование углеродных нанотрубок
- Перспектива создания макроскопических углеродных устройств
- Метод термического сшивания для изготовления пористых каркасов
-
Другие морфологии
- Углеродные нанопластинки: сочетание нанотрубок и фуллеренов
- Углеродный стручок: фуллерен внутри нанотрубки
- Наноторус: углеродная нанотрубка в форме тора
- Графенированные углеродные нанотрубки: слои графена на нанотрубках
-
Свойства углеродных нанотрубок
- Зависимость свойств от типа (n,m)
- Прочность и жесткость нанотрубок
- Радиальная упругость и модуль Юнга
-
Электрические свойства
- Металлические и полупроводниковые свойства
- Влияние кривизны на электрические свойства
- Проблемы с насыщением тока и резистивными переходами
-
Легирование и сверхпроводимость
- Легирование бором и азотом
- Интеркалированные и адсорбированные добавки
- Внутренняя сверхпроводимость, спорные утверждения
-
Электрические свойства
- Углеродные нанотрубки обладают пьезорезистивными свойствами при приложении механической силы.
- Дефекты в металлических трубках могут привести к полупроводниковым свойствам.
- Одиночные одноатомные вакансии индуцируют магнитные свойства.
-
Оптические свойства
- Углеродные нанотрубки обладают полезными свойствами поглощения, фотолюминесценции и рамановской спектроскопии.
- Спектроскопические методы позволяют быстро и неразрушающе определять характеристики нанотрубок.
- Оптические свойства нанотрубок используются в светоизлучающих диодах и фотодетекторах.
-
Тепловые свойства
- Углеродные нанотрубки являются хорошими теплопроводниками вдоль трубки, но изоляторами по отношению к оси.
- Теплопроводность отдельных нанотрубок при комнатной температуре составляет около 3500 Вт·м-1·К−1.
- Макроскопические сборки из нанотрубок достигают мощности до 1500 Вт·м−1·К−1.
-
Антибактериальные свойства
- Углеродные нанотрубки обладают антибактериальными свойствами, нарушая функцию бактерий.
-
Синтез
- Методы получения нанотрубок включают дуговой разряд, лазерную абляцию, CVD и HiPCO.
- CVD позволяет получать большое количество нанотрубок, но имеет высокую вариабельность характеристик.
- HiPCO обеспечивает высокую чистоту и непрерывность процесса.
-
Очистка
- Синтезированные нанотрубки содержат примеси, которые необходимо удалять.
- Методы очистки включают использование полимеров, ультрацентрифугирование, хроматографию и ATPE.
- Полимеры избирательно диспергируют или обертывают нанотрубки определенной хиральности.
- Ультрацентрифугирование основано на разнице плотностей нанотрубок.
- Хроматография включает SEC, IEX и гель-хроматографию.
- ATPE использует два водорастворимых полимера для разделения нанотрубок.
-
Преимущества монохиральных УНТ
- Содержат меньше примесей или не содержат их
- Имеют четко выраженные оптические спектры
- Подходят для биосенсоров с высокой чувствительностью и избирательностью
-
Функционализация УНТ
- Ковалентная и нековалентная модификации
- Ковалентная функционализация включает окисление сильными кислотами
- Свободнорадикальная трансплантация улучшает диспергируемость
- Экологически чистый подход с использованием бутонов гвоздики
-
Моделирование УНТ
- Моделируются аналогично композитам
- Используются идеальные модели и концепции RVE
- Учитываются микроструктурные особенности
-
Метрология УНТ
- ISO/TS 10868, 10797, 10798 для одностенных УНТ
- NIST SRM 2483, SWCNT-1, NIST RM 8281 для одностенных и многостенных УНТ
-
Безопасность и здоровье
- NIOSH определяет RELs для УНТ и волокон
- УНТ могут вызывать токсичность и воспаление легких
- В ЕС разрешена коммерциализация ОУНТ до 100 метрических тонн
-
Приложения УНТ
- Компоненты аккумуляторных батарей
- Полимерные композиты для улучшения свойств
- Черная краска с высокой впитывающей способностью
- Биомедицинские приложения: доставка лекарств, биоактивные покрытия, армирующие материалы
- Биосенсорика: наноразмерные размеры соответствуют биологическим видам
-
Свойства и функционализация ОУНТ
- ОУНТ чувствительны к изменениям в химическом окружении благодаря большому соотношению поверхности к объему.
- Ковалентная и нековалентная функционализация поверхности позволяет точно адаптировать ОУНТ для селективного взаимодействия с целевыми веществами.
-
Применение ОУНТ в биосенсорике
- ОУНТ используются для обнаружения активных форм кислорода и азота, нейромедиаторов, малых молекул, липидов, белков, сахаров, ДНК/РНК, ферментов и бактерий.
- Изменение сигнала проявляется в увеличении или уменьшении силы тока или интенсивности флуоресценции.
- Оптическое детектирование основано на радиационной рекомбинации экситонов в ближнем инфракрасном диапазоне.
-
Преимущества и недостатки ОУНТ
- ОУНТ обладают превосходной фотостабильностью и обеспечивают плотное покрытие поверхностей.
- Для флуоресценции необходимы оптические фильтры и чувствительный к инфракрасному излучению детектор.
- ОУНТ могут быть использованы для обнаружения нескольких целевых аналитов с помощью пространственного расположения датчиков или гиперспектрального обнаружения.
-
Потенциальные области применения
- Биомедицинские и экологические приложения, такие как мониторинг здоровья растений, управление биореакторами, диагностика нейронных связей и заболеваний.
- В промышленности ОУНТ используются для обнаружения газов и запахов, скрининга ферментов, в велосипедных компонентах и композитных материалах.
-
Текущие и будущие разработки
- Медицинские устройства, носимая электроника, битум и асфальт, нанокомпозиты, аддитивное производство, полевые транзисторы, микропроизводство, мониторинг окружающей среды.
- Углеродные нанотрубки используются в тканевой инженерии, литий-ионных аккумуляторах, автомобильных деталях, электропроводящих покрытиях, резиновых деталях, токопроводящих гелькоутах и нагревательных волокнистых покрытиях.
- Потенциальные области включают управление наноразмерными структурами и создание трехмерных макроскопических углеродных устройств.
-
Новый метод термической сшивки
- Ученые разработали метод термической сшивки для изготовления макроскопических углеродных каркасов.
- Каркасы состоят из одностенных и многостенных углеродных нанотрубок.
- Пористость каркасов может быть адаптирована для различных применений.
-
Применение углеродных каркасов
- Каркасы могут использоваться для накопителей энергии, суперконденсаторов, транзисторов, катализаторов, фотоэлектрических систем и биомедицинских устройств.
- УНТ могут быть использованы в наноразмерных СБИС-схемах.
-
Одностенные нанотрубки
- Одностенные нанотрубки (ОУНТ) могут быть проводниками и использоваться в миниатюризации электроники.
- ОУНТ могут быть использованы для разработки межмолекулярных полевых транзисторов.
-
Технология поверхностного литья ленты
- Технология SETC позволяет изготавливать гибкие и складывающиеся листы из УНТ.
- Волокна УНТ могут быть получены методом мокрого прядения.
-
Электронные свойства волокон УНТ
- Удельное сопротивление волокон УНТ на порядок выше, чем у металлических проводников.
- Путем оптимизации можно улучшить электрические свойства волокон.
-
Применение волокон УНТ
- Нити на основе УНТ подходят для энергетики и электрохимической обработки воды.
- Нити могут заменить медь в качестве материала для намотки.
-
Примеры использования
- Пирхонен и др. создали двигатель с обмоткой из УНТ.