Nanotuburi de carbon

Un nanotub de carbon  (abreviar CNT) este o modificare alotropică a carbonului , care este o structură cilindrică goală cu un diametru de la zece la câteva zeci de nanometri și o lungime de la un micrometru la câțiva centimetri [1] [2] (în același timp timp, există tehnologii care le permit să fie țesute în fire de lungime nelimitată [3] ), constând din unul sau mai multe avioane de grafen laminate într-un tub .

Structura nanotuburilor

Orice nanotub de carbon cu un singur perete poate fi reprezentat ca un model dintr-o foaie de grafen (care este o grilă de hexagoane regulate cu atomi de carbon la vârfuri), care este dat de o pereche de numere (n, m) numite indici de chiralitate. În acest caz, indicii de chiralitate (n, m) sunt coordonatele vectorului rază R în sistemul de coordonate oblic specificat în planul grafenului , care determină orientarea axei tubului în raport cu planul grafenului și diametrul acestuia.

Diametrul nanotubului este calculat din diametrul cilindrului, a cărui circumferință este egală cu lungimea vectorului R și se exprimă în indici de chiralitate (n, m) ca:

unde = 0,142 nm este distanța dintre atomii de carbon adiacenți în planul grafitului.

O altă modalitate de a desemna chiralitate este de a indica unghiul α dintre direcția de pliere a nanotubului și direcția în care hexagoane adiacente au o latură comună. În acest caz, se alege cel mai mic unghi, astfel încât 0° ≤ α ≤ 30°. Totuși, în acest caz, pentru o descriere completă a geometriei nanotuburilor, este necesar să se precizeze diametrul acesteia [4] .

Relația dintre indicii de chiralitate (n, m) și unghiul α este dată de:

În funcție de tipul de capete, nanotuburile de carbon sunt

• deschis;
• închis (se termină într-o emisferă, care poate fi considerată ca o jumătate de moleculă de fuleren ).

În funcție de numărul de straturi, nanotuburile sunt

• cu un singur perete (un singur strat);
• multi-pereți (multe straturi).

Prin proprietăți electronice

• metal ( împărțit la 3) [2] [5]
• semiconductor (altele n și m)

Pe baza indicilor de chiralitate, nanotuburile cu un singur perete sunt împărțite în 3 tipuri:

• n \u003d m - „fotoliu” sau „dintat” (fotoliu), α \u003d 30 °
• m = 0 - „zigzag” (zigzag), α = 0°
• n ≠ m — chiral

În literatura în limba rusă, există o atribuire eronată a α = 0° nanotuburilor zimțate și α = 30° (2n, n) tuburilor în zig-zag, care s-a răspândit dintr-un articol de recenzie al lui A. V. Yeletsky [6] .

Nanotuburi cu un singur perete

Nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt folosite în bateriile litiu-ion, materialele din fibră de carbon și industria auto. În bateriile plumb-acid, adăugarea de nanotuburi cu un singur perete crește semnificativ numărul de cicluri de reîncărcare. Pentru nanotuburile de carbon cu un singur perete, factorul de rezistență este GPa, iar pentru oțel, GPa [7] .

Tehnologia industrială pentru sinteza nanotuburilor de carbon cu un singur perete OCSiAl , dezvoltată de academicianul Academiei Ruse de Științe Mikhail Predtechensky , face posibilă obținerea de nanotuburi de o calitate excepțional de înaltă și să le ofere pieței mondiale la un preț care le face utilizarea în industrie accesibilă din punct de vedere economic pentru prima dată [8] [9] .

Nanotuburi multipereți

Nanotuburile cu pereți multipli (nanotuburi de carbon cu pereți multipli) diferă de cele cu un singur perete într-o varietate mult mai mare de forme și configurații. Diversitatea structurilor se manifestă atât pe direcția longitudinală, cât și pe cea transversală.

Structura tipului „matryoshka” (păpuși rusești) este un set de tuburi cilindrice imbricate coaxial. Un alt tip al acestei structuri este un set de prisme coaxiale imbricate. În cele din urmă, ultima dintre aceste structuri seamănă cu un scroll (scroll). Pentru toate structurile din fig. valoare caracteristică a distanței dintre straturile adiacente de grafen, apropiată de valoarea de 0,34 nm, inerentă distanței dintre planurile adiacente ale grafitului cristalin [10] .

Implementarea uneia sau alteia structuri de nanotuburi multipereți într-o situație experimentală specifică depinde de condițiile de sinteză. O analiză a datelor experimentale disponibile indică faptul că cea mai tipică structură a nanotuburilor cu pereți multipli este o structură cu secțiuni de tip „păpuși rusești de cuibărit” și „papier-mâché” situate alternativ pe lungime. În acest caz, „tuburile” de dimensiuni mai mici sunt introduse secvenţial în cele mai mari [10] . Un astfel de model este susținut, de exemplu, de faptele privind intercalarea clorurii de potasiu sau ferică în spațiul „intertub” și formarea structurilor de tip „sferă”.

Istoricul descoperirilor

Fullerene (C 60 ) a fost descoperit de grupul Smalley , Kroto și Curl în 1985 [11] , pentru care acești cercetători au primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1996 . În ceea ce privește nanotuburile de carbon, data exactă a descoperirii lor nu poate fi dată aici. Deși este bine cunoscut faptul că Iijima a observat structura nanotuburilor multipereți în 1991 [ 12] , există dovezi anterioare pentru descoperirea nanotuburilor de carbon. De exemplu, în 1974-1975 , Endo et al .[13] au publicat o serie de lucrări care descriu tuburi subțiri cu un diametru mai mic de 100  Å preparate prin condensarea vaporilor, dar nu a fost efectuat un studiu mai detaliat al structurii. Un grup de oameni de știință de la Institutul de Cataliză al Filialei Siberiei a Academiei de Științe a URSS în 1977, în timp ce studia carbonizarea catalizatorilor de dehidrogenare fier-crom la microscop, a înregistrat formarea „dendritelor goale de carbon” [14] , în timp ce a fost propus un mecanism de formare și a fost descrisă structura pereților. În 1992 , a fost publicat un articol în revista Nature [15] care afirmă că nanotuburi au fost observate în 1953 . Cu un an mai devreme, în 1952 , un articol al oamenilor de știință sovietici Radushkevich și Lukyanovich [16] raporta despre observarea microscopică electronică a fibrelor cu un diametru de aproximativ 100 nm, obținute prin descompunerea termică a monoxidului de carbon pe un catalizator de fier . De asemenea, aceste studii nu au fost continuate. În 2006 , au fost descoperite nanotuburi de carbon în oțelul Damasc [17] .

Există multe lucrări teoretice care prezic o anumită formă alotropică de carbon . În [18] , chimistul Jones (Dedalus) a speculat despre tuburile spiralate de grafit. În lucrarea lui L. A. Chernozatonsky și alții [19] , publicată în același an cu lucrarea lui Iijima, au fost obținute și descrise nanotuburi de carbon, iar M. Yu. nanotuburi de carbon cu un singur perete în 1986 , dar au sugerat și marea lor elasticitate . 20] .

Pentru prima dată, pentru carbon a fost descoperită posibilitatea formării de nanoparticule sub formă de tuburi. În prezent, structuri similare au fost obținute din nitrură de bor , carbură de siliciu , oxizi ai metalelor de tranziție și alți compuși. Diametrul nanotuburilor variază de la unu la câteva zeci de nanometri, iar lungimea ajunge la câțiva microni.

Proprietăți structurale

• proprietăți elastice; defecte atunci când sarcina critică este depășită:
  • în cele mai multe cazuri, ele reprezintă o celulă distrusă - un hexagon al grilei - cu formarea unui pentagon sau septogon în locul său. Din caracteristicile specifice ale grafenului , rezultă că nanotuburile defecte vor fi distorsionate într-un mod similar, adică cu apariția umflăturilor (la 5) și a suprafețelor șai (la 7). De cel mai mare interes în acest caz este combinarea acestor distorsiuni, în special a celor situate unul față de celălalt ( defect Stone-Wales ) - aceasta reduce rezistența nanotubului, dar formează o distorsiune stabilă în structura sa care modifică proprietățile acestuia din urmă: cu alte cuvinte, se formează o îndoire permanentă în nanotub.
• nanotuburi deschise și închise

Proprietățile electronice ale nanotuburilor

Proprietățile electronice ale planului de grafit

• Rețea reciprocă, prima zonă Brillouin

Toate K punctele primei zone Brillouin sunt separate unele de altele prin vectorul de translație al rețelei reciproce, deci toate sunt de fapt echivalente. În mod similar, toate punctele lui K' sunt echivalente.

• Spectrul în aproximarea cu legare strânsă (vezi Grafen pentru mai multe detalii )

• Puncte Dirac (vezi Grafen pentru detalii )

Grafitul  este un semi -metal , care poate fi văzut cu ochiul liber prin natura reflexiei luminii . Se poate observa că electronii orbitalilor p umplu complet prima zonă Brillouin. Astfel, rezultă că nivelul Fermi al planului grafit trece exact prin punctele Dirac, adică. întreaga suprafață Fermi (mai precis, o linie în cazul bidimensional) degenerează în două puncte neechivalente.

Dacă energia electronilor diferă puțin de energia Fermi , atunci se poate înlocui spectrul adevărat al electronilor din apropierea punctului Dirac cu unul simplu conic, la fel ca spectrul unei particule fără masă care se supune ecuației Dirac în dimensiuni 2+1 .

• simetria SU(4).

Transformarea spectrului la plierea avionului într-un tub

• Condiții la limită Born-Karman
• Ecuația Dirac eficientă
• Tuburi metalice și semiconductoare

Tipul de conductivitate a nanotuburilor depinde de chiralitatea lor, adică de grupul de simetrie căruia îi aparține un anumit nanotub, și se supune unei reguli simple: dacă indicii nanotuburilor sunt egali între ei sau diferența lor este împărțită la trei, nanotubul este un semimetal, în orice alt caz ele prezintă proprietăți semiconductoare.

Originea acestui fenomen este următoarea. Un plan de grafit (grafen) poate fi reprezentat ca unul extins infinit, în timp ce un nanotub, cu rezerve cunoscute, poate fi reprezentat ca un obiect unidimensional. Dacă ne imaginăm un fragment de nanotub de grafen în timp ce se desfășoară pe o foaie de grafit, atunci se poate observa că în direcția pliului tubului, numărul de vectori de undă permisi scade la valori care sunt complet determinate de indicii de chiralitate ( lungimea unui astfel de vector k este invers proporţională cu perimetrul tubului). Figura prezintă exemple de stări k permise ale unui nanotub metalic și semiconductor. Se poate observa că dacă valoarea permisă a vectorului de undă coincide cu punctul K, în modelul de bandă al nanotubului va exista și o intersecție a benzii de valență și a benzii de conducere, iar nanotubul, respectiv, va prezenta semi- proprietăți metalice, iar în celălalt caz, proprietăți semiconductoare [21] .

• Comportarea spectrului la aplicarea unui câmp magnetic longitudinal

Contabilizarea interacțiunii electronilor

• Bosonizarea
• Lichidul lui Luttinger
• Separarea spin și încărcare
• Starea experimentală

Supraconductivitate în nanotuburi

Supraconductivitatea nanotuburilor de carbon a fost descoperită de cercetători din Franța și Rusia (IPTM RAS, Chernogolovka). Ei au efectuat măsurători ale caracteristicilor curent-tensiune:

• un nanotub separat cu un singur perete cu un diametru de ~1 nm;
• un număr mare de nanotuburi cu un singur perete rulat într-un mănunchi;
• precum și nanotuburi individuale cu pereți multipli.

La o temperatură apropiată de 4 K, s-a observat un curent între două contacte metalice supraconductoare. Spre deosebire de conductorii tridimensionali convenționali, transferul de sarcină într-un nanotub are o serie de caracteristici care, aparent, sunt explicate prin natura unidimensională a transferului (cum ar fi cuantificarea rezistenței R: vezi un articol publicat în Science [22] ).

Excitoni și biexcitoni în nanotuburi

Excitonul (în latină excito - „Eu excite”) este o cvasi-particulă asemănătoare hidrogenului, care este o excitație electronică într-un dielectric sau semiconductor, migrând prin cristal și nu este asociată cu transferul de sarcină și masă electrică.

Deși un exciton constă dintr-un electron și o gaură, ar trebui considerat o particulă elementară independentă (nereductibilă) în cazurile în care energia de interacțiune a unui electron și a unei găuri este de același ordin cu energia mișcării lor și energia de interacțiune dintre doi excitoni este mică în comparație cu energia fiecăruia dintre ei. Un exciton poate fi considerat o cvasi-particulă elementară în acele fenomene în care acţionează ca o formaţiune întreagă care nu este supusă unor influenţe capabile să-l distrugă.

Un biexciton este o stare legată a doi excitoni. Este, de fapt, o moleculă de exciton.

Pentru prima dată, ideea posibilității de a forma o moleculă de exciton și unele dintre proprietățile sale au fost descrise independent de S. A. Moskalenko și M. A. Lampert.

Formarea unui biexciton se manifestă în spectrele de absorbție optică sub formă de benzi discrete care converg către partea cu lungime de undă scurtă conform unei legi asemănătoare hidrogenului. Dintr-o astfel de structură a spectrelor rezultă că este posibilă formarea nu numai a solului, ci și a stărilor excitate ale biexcitonilor.

Stabilitatea unui biexciton ar trebui să depindă de energia de legare a excitonului în sine, de raportul dintre masele efective de electroni și găuri și de anizotropia acestora.

Energia de formare a biexcitonului este mai mică de două ori energia excitonului cu valoarea energiei de legare a biexcitonului.

Proprietățile optice ale nanotuburilor

Modificările semiconductoare ale nanotuburilor de carbon (diferența de indici de chiralitate nu este un multiplu de trei) sunt semiconductori cu gol direct. Aceasta înseamnă că recombinarea directă a perechilor electron- găuri poate avea loc în ele, ducând la emisia unui foton . Banda interzisă directă include automat nanotuburi de carbon printre materialele optoelectronicei .

Nanotuburile semiconductoare emit în domeniul vizibil și în infraroșu sub influența excitației optice ( fotoluminiscență ) sau electrică ( electroluminiscență ) [23] . Nanotuburile, împreună cu punctele cuantice și moleculele fluorescente, pot fi surse de fotoni unici, ceea ce a fost demonstrat atât în ​​condiții criogenice [24] , cât și la temperatura camerei pentru nanotuburi funcționalizate [25] . Acest lucru ne permite să considerăm nanotuburile ca o sursă potențială de radiație [26] pentru calculul cuantic .

Proprietățile memristor ale nanotuburilor

În 2009, Yao, Zhang și colaboratorii [27] au demonstrat un memristor bazat pe nanotuburi de carbon orientate orizontal cu un singur perete plasate pe un substrat dielectric. Manifestarea efectului memristor în structura prezentată sa datorat interacțiunii CNT-urilor cu un substrat dielectric și captării purtătorilor de sarcină la interfața CNT/SiO2.

În 2011, Vasu, Sampath și alții [28] au descoperit efectul memristor pe o serie de MWCNT-uri neorientate. S-a descoperit că comutarea rezistivă în matrice se datorează formării de canale conductoare din CNT-uri orientate de câmpul electric.

În 2013, Ageev, Blinov și colaboratorii [29] au raportat descoperirea unui efect de memristor asupra fasciculelor de nanotuburi de carbon orientate vertical într-un studiu care folosește microscopia de scanare cu tunel . Mai târziu, în 2015, același grup de oameni de știință a arătat posibilitatea comutării rezistive în CNT-uri individuale aliniate vertical. Efectul memristor descoperit sa bazat pe apariția unui câmp electric intern în CNT în timpul deformării sale [30] .

Proprietățile nanotuburilor intercalate

Aplicații posibile ale nanotuburilor

• Aplicații mecanice: filamente rezistente, materiale compozite , nanobalanțele.
• Aplicații în microelectronică: tranzistori , nanofire, nanoantene [31] , suprafețe conductoare transparente, pile de combustie .
• Pentru a crea conexiuni între neuronii biologici și dispozitivele electronice în cele mai recente dezvoltări ale creierului - computer .
• Aplicații capilare : capsule pentru molecule active, depozitare de metale și gaze, nanopipete.
• Aplicatii optice: display -uri , LED-uri .
• Medicina (în dezvoltare activă).
• Nanotuburile cu un singur perete (individuale, în ansambluri mici sau în rețele) sunt senzori miniaturali pentru detectarea moleculelor într-un mediu gazos sau în soluții cu sensibilitate ultra-înaltă - atunci când moleculele sunt adsorbite pe suprafața unui nanotub, rezistența sa electrică , precum și ca caracteristicile unui nanotranzistor, se pot schimba. Astfel de nanosenzori pot fi utilizați pentru monitorizarea mediului, aplicații militare, medicale și biotehnologice.
• Tether pentru ascensor spațial : nanotuburile pot susține, teoretic, greutăți enorme – până la o tonă pe milimetru pătrat. Cu toate acestea, nu a fost încă posibil să se obțină tuburi de carbon suficient de lungi cu grosimea peretelui de un atom [32] , ceea ce face necesară folosirea de fire țesute din nanotuburi relativ scurte, ceea ce reduce rezistența finală.
• Foile de nanotuburi de carbon pot fi folosite ca difuzoare plate transparente , oamenii de știință chinezi au ajuns la această concluzie [33]
• muschi artificiali. Prin injectarea de parafină într-un filament răsucit de nanotuburi, o echipă internațională de oameni de știință de la Universitatea din Texas a reușit să creeze un mușchi artificial care este de 85 de ori mai puternic decât un om [34]
• Generatoare de energie și motoare. Firele de parafină și tuburi de carbon pot absorbi căldura și energia luminii și o pot transforma în energie mecanică. Experiența a arătat că aceste fire pot rezista la peste un milion de cicluri de răsucire/desfășurare la 12.500 rpm sau 1200 de cicluri de compresie/întindere pe minut fără semne vizibile de uzură. [35] Astfel de filamente pot fi folosite pentru a genera energie din lumina soarelui.
• Surse curente. Utilizarea nanotuburilor de carbon cu un singur perete ca aditiv conductor în bateriile litiu-ion face posibilă creșterea procentului de material activ din compoziția electrodului, ceea ce înseamnă creșterea intensității energetice a sursei de curent. Conform studiilor, cu ajutorul nanotuburilor TUBALL fabricate de OCSiAl , în baterii prismatice de 10 Ah, se poate realiza o creștere a consumului volumetric de energie cu 10% [36] [37] . La rândul său, adăugarea a 0,001–0,01% din aceste nanotuburi cu un singur perete la pasta de electrozi a bateriilor cu plumb-acid poate crește durata de viață a bateriei de 4 ori și, de asemenea, afectează pozitiv celelalte caracteristici ale acesteia [38] .
• Nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt un aditiv conductiv versatil. Concentrațiile scăzute în masa totală a materialului - de la 0,01% - conferă conductivitate electrică și îmbunătățesc proprietățile fizice și mecanice ale materialelor plastice, elastomerilor, compozitelor și acoperirilor fără a afecta negativ culoarea, caracteristicile reologice și alte caracteristici [39] .
• Asigurarea conductivității electrice a polimerilor. Nanotuburile de carbon introduse în cantități microscopice în polimeri fac posibilă reducerea rezistenței lor electrice de zeci de mii de ori - de la intervalul de valori „sute de megaohm - un gigaohm” la valori relativ mici „unu - zeci de kiloohm ". Această proprietate este utilizată pentru a preveni acumularea sarcinilor de electricitate statică pe materialele polimerice.

Obținerea nanotuburilor de carbon

Dezvoltarea metodelor pentru sinteza nanotuburilor de carbon (CNT) a urmat calea scăderii temperaturilor de sinteză. După crearea tehnologiei de producere a fulerenelor , s-a constatat că în timpul evaporării arcului electric a electrozilor de grafit, odată cu formarea fulerenelor, se formează structuri cilindrice extinse [40] . Microscopistul Sumio Iijima, folosind un microscop electronic cu transmisie (TEM), a fost primul care a identificat aceste structuri ca nanotuburi. Metodele de înaltă temperatură pentru producerea CNT includ metoda arcului electric. Dacă o tijă de grafit ( anod ) este evaporată într-un arc electric, atunci se formează o acumulare de carbon dur (depozit) pe electrodul opus ( catod ) în miezul moale al căruia conține CNT cu pereți multipli cu un diametru de 15- 20 nm și o lungime mai mare de 1 micron.

Formarea CNT din funingine fullerenă sub acțiunea termică la temperatură înaltă asupra funinginei a fost observată pentru prima dată de grupurile Oxford [41] și Swiss [42] . Instalația pentru sinteza arcului electric este intensivă în metal, consumatoare de energie, dar universală pentru obținerea diferitelor tipuri de nanomateriale de carbon. O problemă semnificativă este neechilibrul procesului în timpul arderii arcului. Metoda arcului electric la un moment dat a venit să înlocuiască metoda de evaporare cu laser (ablația cu laser ). Unitatea de ablație este un cuptor de încălzire rezistiv convențional care oferă o temperatură de 1200°C. Pentru a obține temperaturi mai ridicate în el, este suficient să plasați o țintă de carbon în cuptor și să direcționați un fascicul laser spre ea, scanând alternativ întreaga suprafață a țintei. Astfel, grupul lui Smalley, folosind instalații scumpe cu laser cu impuls scurt, a obținut nanotuburi în 1995, „simplificand semnificativ” tehnologia sintezei lor [43] .

Cu toate acestea, randamentul CNT-urilor a rămas scăzut. Introducerea unor mici adaosuri de nichel și cobalt (0,5 atm.%) în grafit a făcut posibilă creșterea randamentului CNT-urilor la 70–90% [44] . Din acel moment, a început o nouă etapă în conceptul de mecanism de formare a nanotuburilor. A devenit evident că metalul este un catalizator de creștere . Astfel, au apărut primele lucrări privind producția de nanotuburi printr-o metodă la temperatură joasă - prin metoda pirolizei catalitice a hidrocarburilor ( CVD ), în care particulele unui metal din grupa fierului au fost folosite ca catalizator . Una dintre opțiunile de instalare pentru producția de nanotuburi și nanofibre prin metoda CVD este un reactor în care este furnizat un gaz purtător inert, care transportă catalizatorul și hidrocarbura în zona de temperatură înaltă.

Simplificat, mecanismul de creștere a CNT este următorul. Carbonul format în timpul descompunerii termice a hidrocarburii se dizolvă în nanoparticulele de metal. Când se atinge o concentrație mare de carbon în particule, pe una dintre fețele particulei de catalizator, are loc o „eliberare” favorabilă din punct de vedere energetic a excesului de carbon sub forma unui capac de semi-fulerenă distorsionat. Așa se naște un nanotub. Carbonul descompus continuă să intre în particulele de catalizator și, pentru a elibera excesul de concentrație în topitură, acesta trebuie eliminat în mod constant. Emisfera ascendentă (semifulerenă) de la suprafața topiturii poartă cu ea excesul de carbon dizolvat, ai cărui atomi din afara topiturii formează o legătură C-C, care este un cadru-nanotub cilindric.

Temperatura de topire a unei particule într-o stare nanometrică depinde de raza acesteia. Cu cât raza este mai mică, cu atât temperatura de topire este mai mică datorită efectului Gibbs-Thompson [45] . Prin urmare, nanoparticulele de fier cu o dimensiune de aproximativ 10 nm sunt în stare topită sub 600 °C. În prezent, a fost efectuată sinteza la temperatură scăzută a CNT-urilor prin piroliza catalitică a acetilenei în prezența particulelor de Fe la 550 ° C. Reducerea temperaturii de sinteză are și consecințe negative. La temperaturi mai scăzute, se obțin CNT-uri cu un diametru mare (aproximativ 100 nm) și o structură puternic defectuoasă precum „bambus” sau „nanoconuri cuibărite”. Materialele rezultate constau doar din carbon, dar nici măcar nu se apropie de caracteristicile extraordinare (de exemplu, modulul Young ) observate în nanotuburi de carbon cu un singur perete obținute prin ablație cu laser sau sinteza arcului electric.

CVD este o metodă mai controlabilă care permite controlul locației de creștere și parametrilor geometrici ai tuburilor de carbon [46] ] pe orice tip de substrat. Pentru a obține o serie de CNT-uri pe suprafața substratului, particulele de catalizator sunt mai întâi formate pe suprafață prin condensarea unei cantități extrem de mici din acesta. Formarea catalizatorului este posibilă utilizând depunerea chimică dintr-o soluție care conține un catalizator, evaporarea termică, pulverizarea cu fascicul ionic sau pulverizarea cu magnetron. Variațiile nesemnificative ale cantității de materie condensată pe unitatea de suprafață provoacă o schimbare semnificativă a dimensiunii și numărului de nanoparticule catalitice și, prin urmare, duce la formarea de CNT care diferă ca diametru și înălțime în diferite zone ale substratului. Creșterea controlată a CNT-urilor este posibilă dacă un aliaj Ct-Me-N este utilizat ca catalizator, unde Ct (catalizator) este selectat din grupul Ni, Co, Fe, Pd; Me (metal liant) - selectat din grupul Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re; N (azot). Atractivitatea acestui proces de creștere a CNT pe pelicule de aliaje ale unui metal catalitic cu metale din grupele V–VII din Tabelul Periodic al Elementelor constă într-o gamă largă de factori pentru controlul procesului, ceea ce face posibilă controlul parametrilor de Matrice CNT, cum ar fi înălțimea, densitatea și diametrul. Atunci când sunt utilizate filme de aliaj, creșterea CNT este posibilă pe pelicule subțiri de diferite grosimi și conductivitate. Toate acestea fac posibilă integrarea acestui proces în tehnologiile integrate [47] .

Fibre din tuburi de carbon

Pentru aplicarea practică a CNT-urilor, se caută în prezent o metodă de a crea fibre extinse pe baza acestora, care, la rândul lor, pot fi țesute într-un fir toronat. Deja a fost posibil să se creeze fibre extinse din nanotuburi de carbon, care au o conductivitate electrică ridicată și o rezistență superioară oțelului [48] .

Toxicitatea nanotuburilor

Rezultatele experimentale din ultimii ani au arătat că nanotuburile lungi de carbon cu pereți multipli (MWNT) pot provoca un răspuns similar cu cel al fibrelor de azbest . Oamenii angajați în extracția și prelucrarea azbestului au de câteva ori mai multe șanse de a dezvolta tumori și cancer pulmonar decât populația generală. Carcinogenitatea fibrelor diferitelor tipuri de azbest este foarte diferită și depinde de diametrul și tipul fibrelor. Datorită greutății și dimensiunilor lor reduse, nanotuburile de carbon pătrund în tractul respirator împreună cu aerul. Drept urmare, se concentrează în pleura. Particulele mici și nanotuburile scurte ies prin porii din peretele toracic (3–8 µm în diametru), în timp ce nanotuburile lungi pot fi reținute și pot provoca modificări patologice în timp.

Experimentele comparative privind adăugarea de nanotuburi de carbon cu un singur perete (SWCNT) la hrana șoarecilor nu au arătat nicio reacție vizibilă a acestuia din urmă în cazul nanotuburilor cu o lungime de ordinul micronilor. În același timp, un experiment privind adăugarea de nanotuburi de carbon cu pereți multipli la hrana șoarecilor a arătat că în acest caz există modificări semnificative în structura fină a vilozităților intestinului subțire sub forma unei creșteri a numărului. a vilozităților distruse și proliferarea epiteliocitelor [49] .

În 2016, experții europeni au efectuat o serie de studii privind natura și proprietățile nanotuburilor de carbon cu un singur perete și au elaborat recomandări privind metodele specifice de lucru cu acestea. Ca urmare, nanotuburile TUBALL fabricate de OCSiAl în Novosibirsk au devenit primele SWCNT înregistrate în conformitate cu regulamentul REACH al Uniunii Europene și au permis producția și utilizarea în Europa la scară industrială - până la 10 tone anual [50] .

Purificarea catalizatorilor

Catalizatorii metalici la scară nanometrică sunt componente importante ale multor metode eficiente pentru sinteza CNT-urilor și în special pentru procesele CVD . De asemenea, permit, într-o oarecare măsură, controlul structurii și chiralității CNT-urilor rezultate. [51] În timpul sintezei, catalizatorii pot transforma compușii carbonați în carbon tubular, prin care ei înșiși devin de obicei parțial încapsulați de straturi grafitizate de carbon. Astfel, ele pot deveni parte a produsului CNT rezultat. [52] Astfel de impurități metalice pot fi problematice pentru multe aplicații CNT. Catalizatorii precum nichelul , cobaltul sau ytriul pot cauza probleme toxicologice, de exemplu. [53] În timp ce catalizatorii neîncapsulați sunt relativ ușor de spălat cu acizi minerali , catalizatorii încapsulați necesită un pretratament oxidativ pentru a deschide carcasa de acoperire a catalizatorilor. [54] Îndepărtarea eficientă a catalizatorilor, în special a celor încapsulați, menținerea în același timp a structurii CNT este o procedură complexă și consumatoare de timp. Multe opțiuni de purificare CNT au fost deja studiate și optimizate individual pentru calitatea CNT-urilor utilizate. [55] [56] O nouă abordare a purificării CNT-urilor, care face posibilă deschiderea și evaporarea simultană a catalizatorilor metalici încapsulați, este încălzirea extrem de rapidă a CNT-urilor și a impurităților lor într-o plasmă termică. [57]

Note

1. ↑ Laboratory Grows World Record Length Carbon Nanotube
2. ↑ 1 2 nanotub, carbon . thesaurus.rusnano.com. Data accesului: 14 noiembrie 2017. (nedefinit)
3. ↑ Fibre de nanotuburi filare la Universitatea Rice - YouTube . Preluat: 27 ianuarie 2013. (nedefinit)
4. ↑ Iijima, S. și Ichihashi, T. (1993) Nanotuburi de carbon cu înveliș unic de diametru de 1 nm. Nature, 363, 603-605. http://dx.doi.org/10.1038/363603a0
5. ↑ Noriaki Hamada, Shin-ichi Sawada, Atsushi Oshiyama. Noi conductori unidimensionali: microtubuli grafici  // Physical Review Letters. - 09-03-1992. - T. 68 , nr. 10 . - S. 1579-1581 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.68.1579 .
6. ↑ Nanotuburi de carbon, A. V. Eletsky, UFN, septembrie 1997, v. 167, nr. 9, art. 955
7. ↑ Alexander Grek Foc, apă și nanotuburi // Mecanica populară . - 2017. - Nr 1. - S. 39-47.
8. ↑ Producția și aplicațiile scalabile la costuri reduse ale nanotuburilor de carbon cu un singur perete „SF Bay Area Nanotechnology Council  ” . sites.ieee.org. Data accesului: 21 septembrie 2017.
9. ↑ OCSiAl . ocsial.com. Data accesului: 21 septembrie 2017. (Rusă)
10. ↑ 1 2 Nanotuburi de carbon și proprietățile lor de emisie, A. V. Yeletsky, UFN, aprilie 2002, vol. 172, nr. 4, art. 408
11. ↑ HW Kroto, JRHeath, SC O'Brien, RF Curl, RE Smalley, C60: Buckminsterfullerene, Nature 318 162 (1985)
12. ↑ S. Iijima, Helical microtubuli of graphitic carbon, Nature 354 56 (1991)
13. ↑ A. Oberlin, M. Endo și T. Koyama. Observații la microscop electronic de înaltă rezoluție ale fibrelor de carbon grafitizate Carbon, 14, 133 (1976)
14. ↑ Buyanov R. A., Chesnokov V. V., Afanasiev A. D., Babenko V. S. Mecanismul carburilor de formare a depozitelor de carbon și proprietățile lor asupra catalizatorilor de dehidrogenare fier-crom // Cinetică și cataliză 1977. Vol. 18. S. 1021 .
15. ↑ JAE Gibson. nanotuburi timpurii? Natura 359, 369 (1992)
16. ↑ L. V. Radushkevici și V. M. Lukyanovich. Despre structura carbonului format în timpul descompunerii termice a monoxidului de carbon pe un contact cu fier. ZhFKh, 26, 88 (1952)
17. ↑ Nanotuburi de carbon din oțel Damasc
18. ↑ D.E.H. Jones (Daedalus). New Scientist 110 80 (1986)
19. ↑ Z. Ya. Kosakovskaya, L. A. Cernozatonsky, E. A. Fedorov. Structura de carbon nanofibre. JETP Lett. 56 26 (1992)
20. ↑ M. Yu. Kornilov. Ai nevoie de carbon tubular. Chimie și viață 8 (1985)
21. ↑ Chernozatonsky L. A. Sorokin P. B. Nanotuburi de carbon: de la cercetarea fundamentală la nanotehnologie / Pod. ed. Yu.N. Bubnov. - M . : Nauka, 2007. - S. 154-174. - ISBN 978-5-02-035594-1 .
22. ↑ Science (Frank et al., Science, vol. 280, p. 1744); 1998
23. ↑ Vasili Perebeinos, Marcus Freitag, Phaedon Avouris. Fotonica și optoelectronica cu nanotuburi de carbon  (engleză)  // Nature Photonics. — 2008-06. — Vol. 2 , iss. 6 . - P. 341-350 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2008.94 .
24. ↑ Alexander Högele, Christophe Galland, Martin Winger, Atac Imamoğlu. Antibunching de fotoni în spectrele de fotoluminiscență ale unui singur nanotub de carbon  // Physical Review Letters. - 27-05-2008. - T. 100 , nr. 21 . - S. 217401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.217401 .
25. ↑ Stephen K. Doorn, Han Htoon, Hiromichi Kataura, Takeshi Tanaka, Atsushi Hirano. Emisia unui foton reglabil la temperatura camerei la lungimi de undă de telecomunicații din defecte sp3 în nanotuburi de carbon  //  Nature Photonics. — 2017-09. — Vol. 11 , iss. 9 . - P. 577-582 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2017.119 .
26. ↑ Wolfram HP Pernice, Ralph Krupke, Carsten Rockstuhl, A. Korneev, G. Gol'tsman. Circuit fotonic cuantic complet integrat cu o sursă de lumină acționată electric  //  Nature Photonics. — 2016-11. — Vol. 10 , iss. 11 . - P. 727-732 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2016.178 .
27. ↑ Yao, iunie; Jin, Zhong; Zhong, Lin; Natelson, Douglas; Tur, James M. Amintiri nevolatile cu două terminale bazate pe nanotuburi de carbon cu un singur perete   // ACS Nano : jurnal. - 2009. - 22 decembrie ( vol. 3 , nr. 12 ). - P. 4122-4126 . doi : 10.1021 / nn901263e .
28. ↑ Vasu, K.S.; Sampath, S.; Sood, AK Comutare rezistivă unipolară nevolatilă în pelicule ultrasubțiri de grafen și nanotuburi de carbon   // Comunicații în stare solidă : jurnal. - 2011. - august ( vol. 151 , nr. 16 ). - P. 1084-1087 . - doi : 10.1016/j.ssc.2011.05.018 .
29. ↑ Ageev, OA; Blinov, Yu F.; Il'in, OI; Kolomiitsev, AS; Konoplev, BG; Rubashkina, M.V.; Smirnov, V. A.; Fedotov, AA Efectul Memristor asupra pachetelor de nanotuburi de carbon aliniate vertical testat prin microscopie tunel de scanare  //  Fizica tehnică : jurnal. - 2013. - 11 decembrie ( vol. 58 , nr. 12 ). - P. 1831-1836 . - ISSN 1063-7842 . - doi : 10.1134/S1063784213120025 .
30. ↑ Ageev, OA; Blinov, Yu F.; Il'in, OI; Konoplev, BG; Rubashkina, M.V.; Smirnov, V. A.; Fedotov, AA Studiul comutării rezistive a nanotuburilor de carbon aliniate vertical prin microscopie de scanare cu tunel   // Fizica stării solide : jurnal. - 2015. - 16 aprilie ( vol. 57 , nr. 4 ). — P. 825-831 . — ISSN 1063-7834 . - doi : 10.1134/S1063783415040034 .
31. ↑ Slyusar, V.I. Nanoantene: abordări și perspective. - C. 58 - 65. . Electronică: știință, tehnologie, afaceri. - 2009. - Nr 2. C. 58 - 65 (2009). (nedefinit)
32. ↑ News @ Mail.Ru: Chinezii i-au ocolit pe toată lumea - 18,5 centimetri lungime
33. ↑ Nano Letters: Difuzoare cu film subțire cu nanotuburi de carbon flexibile, extensibile, transparente Arhivate la 1 noiembrie 2008 la Wayback Machine (29 octombrie 2008)
34. ↑ iScience.ru - Viitorul este deja aici, în știrile noastre. Creați mușchi artificiali din carbon și parafină | iScience.ru — Viitorul este deja aici, în știrile noastre. Știri Științe
35. ↑ Acţionarea electrică, chimică şi fotonică de torsiune şi tracţiune a muşchilor din fire de nanotuburi de carbon hibride: http://www.sciencemag.org/content/338/6109/928 Science 16 noiembrie 2012: Vol. 338 nr. 6109 p. 928-932 DOI: 10.1126/science.1226762
36. ↑ 360 concept. Un pas înainte în evoluția densității energetice a bateriei | Konstantin Tikhonov, OCSiAl |  ees International . www.ees-magazine.com. Data accesului: 21 septembrie 2017.
37. ↑ SWCNT vs MWCNT și nanofibre. Aplicații în baterii litiu-ion și filme conductoare transparente (descărcare PDF disponibilă  ) . poarta de cercetare. Data accesului: 21 septembrie 2017.
38. ↑ Nanotuburile de carbon creează o îmbunătățire „spectaculoasă ” a bateriilor cu plumb  , Batteries International . Preluat la 21 septembrie 2017.
39. ↑ Un viitor uriaș pentru tuburile minuscule  (engleză)  (downlink) . www.specchemonline.com. Preluat la 21 septembrie 2017. Arhivat din original la 30 martie 2017.
40. ↑ Iijima S, Nature (Londra) 354 56 (1991).
41. ↑ Peter JF Harris la toate. „Studii de microscopie electronică de înaltă rezoluție ale unui carbon microporos produs prin evaporare cu arc” // J. CHEM. SOC. FARADAY TRANS., 90(18), p. 2799-2802, (1994).
42. ↑ W.A. de Heer și D. Ugarte. „Ceapa de carbon produsă prin tratarea termică a funinginei de carbon și relația lor cu caracteristica de absorbție interstelară de 217,5 nm” // Chem. Fiz. Lett. 207, (1993) 480-486.
43. ↑ Guo T, Nikolaev P, Rinzler D, Tomanek DT, Colbert DT, Smalley R. „Self-Assembly of Tubular Fullerenes” // J. Phys. Chim. 99:10694-7 (1995).
44. ↑ V. Ivanov deloc. „Producția catalitică și purificarea nanotubulilor cu diametre la scară fullerenă”. Carbon 33, 12, (1995) 1727-1738.
45. ↑ P.R. Couchman și W.A. Jesser. „Teoria termodinamică a dependenței de mărime a temperaturii de topire a metalelor”. Nature 269, (1977) 481-483.
46. ↑ Xu, F., Zhao, H., Tse, SD Sinteza nanotuburilor de carbon pe aliaje metalice catalitice în flăcări de difuzie în contracurent metan/aer  //  Proceedings of the Combustion Institute: articol. - 2007. - Vol. 31 . - P. 1839-1847 .
47. ↑ Pawel Mierczynski, Sergey V. Dubkov, Sergey V. Bulyarskii, Alexander A. Pavlov, Sergey N. Skorik. Creșterea rețelelor de nanotuburi de carbon pe diferite filme de aliaj CtxMey prin metoda de depunere în vapori chimici  // Journal of Materials Science & Technology. - doi : 10.1016/j.jmst.2017.01.030 .
48. ↑ Nanotuburi de carbon împletite într-o fibră conductoare electric
49. ↑ Evaluarea efectului nanotuburilor de carbon multistrat asupra stării celulare morfofuncționale a intestinului subțire la șoareci . cyberleninka.ru. Data accesului: 21 septembrie 2017. (nedefinit)
50. ↑ Înregistrarea REACH finalizată pentru nanotuburi de carbon cu un singur perete  // Revista PCI. - 2016. - 16 octombrie. Arhivat din original pe 24 noiembrie 2016.
51. ↑ Yamada T., Namai T., Hata K., Futaba D.N., Mizuno K., Fan J., et al. Creșterea selectivă în funcție de dimensiune a pădurilor de nanotuburi de carbon cu pereți dubli din catalizatori de fier artificial  // Nature Nanotechnology  : journal  . - 2006. - Vol. 1 . - P. 131-136 . - doi : 10.1038/nnano.2006.95 .
52. ↑ MacKenzie KJ, Dunens OM, Harris AT O revizuire actualizată a parametrilor de sinteză și a mecanismelor de creștere pentru nanotuburi de carbon în paturi fluidizate  //  Industrial & Engineering Chemical Research : jurnal. - 2010. - Vol. 49 . - P. 5323-5338 . - doi : 10.1021/ie9019787 .
53. ↑ Jakubek LM, Marangoudakis S., Raingo J., Liu X., Lipscombe D., Hurt RH Inhibarea canalelor ionice neuronale de calciu prin urme de ytriu eliberate din nanotuburi de carbon  //  Biomateriale : jurnal. - 2009. - Vol. 30 . - P. 6351-6357 . - doi : 10.1016/j.biomaterials.2009.08.009 .
54. ↑ Hou PX, Liu C., Cheng HM. Purificarea nanotuburilor de carbon  //  Carbon. — Elsevier , 2008. — Vol. 46 . - P. 2003-2025 . - doi : 10.1016/j.carbon.2008.09.009 .
55. ↑ Ebbesen TW, Ajayan PM, Hiura H., Tanigaki K. Purification of nanotubes   // Nature . - 1994. - Vol. 367 . — P. 519 . - doi : 10.1038/367519a0 .
56. ↑ Xu YQ, Peng H., Hauge RH, Smalley RE Purificare controlată în mai multe etape a nanotuburilor de carbon cu un singur perete  //  Nano Letters : jurnal. - 2005. - Vol. 5 . - P. 163-168 . - doi : 10.1021/nl048300s .
57. ↑ Meyer-Plath A., Orts-Gil G., Petrov S et al. Purificarea și recoacere plasma-termică a  nanotuburilor de carbon //  Carbon : jurnal. — Elsevier , 2012. — Vol. 50 . - P. 3934-3942 . - doi : 10.1016/j.carbon.2012.04.049 .

Vezi și

• izomerie
• nanomotor
• Grafen
• Fulerene
• Aerografit
• Vantablack

Literatură

• Lozovik Yu.E., Popov A.M. Formarea și creșterea nanostructurilor de carbon - fulerene, nanoparticule, nanotuburi și conuri  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Academia Rusă de Științe , 1997. - T. 167 , Nr. 7 . - S. 751-774 . (Rusă)
• Lozovik Yu.E., Popov A.M. Proprietățile și aplicațiile nanotehnologice ale nanotuburilor  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Academia Rusă de Științe , 2007. - T. 177 . - S. 786-799 . (Rusă)
• Dyachkov P.N. Nanotuburi de carbon: structură, proprietăți, aplicații. — M .: Binom, 2006. — 293 p.
• Slyusar, V.I. Nanoantene: abordări și perspective. - C. 58 - 65. . Electronică: știință, tehnologie, afaceri. - 2009. - Nr 2. C. 58 - 65 (2009). (nedefinit)

Link -uri

• Articol de Igor Ivanov pe site-ul „Laboratorului de fizică al școlarilor”
• Site-ul despre nanotuburi de Fyodor Senatov
• Articol în ziarul „1 septembrie”
• Cercetare de marketing a pieței nanotuburilor de carbon
• Materiale compozite cu o matrice polimerică și modificatori care conțin fuleren
• http://www.gazeta.ru/science/2009/10/26_a_3276968.shtml
• http://perst.isssph.kiae.ru/Inform/perst/9_23/n.asp?file=perst.htm&label=K_9_23_11  (link indisponibil)
• Imagine AFM a nanotuburilor de carbon

Dicționare și enciclopedii	mare danez Mare catalană mare chinezesc Britannica (online) Britannica (online) Universalis
În cataloagele bibliografice	GND : 4581365-6 J9U : 987007572833305171 LCCN : sh2013002061 NDL : 00722909