Kulstof nanorør

Et kulstofnanorør (forkortet CNT) er en allotrop modifikation af kulstof , som er en hul cylindrisk struktur med en diameter på ti til flere titalls nanometer og en længde på en mikrometer til flere centimeter [1] [2] (samtidigt tid, er der teknologier, der gør det muligt at væve dem ind i tråde af ubegrænset længde [3] ), bestående af en eller flere grafenplaner rullet ind i et rør .

Struktur af nanorør

Ethvert enkeltvægget kulstof nanorør kan repræsenteres som et mønster fra et grafenark (som er et gitter af regulære sekskanter med kulstofatomer i deres hjørner), som er givet af et par tal (n, m) kaldet chiralitetsindekser. I dette tilfælde er chiralitetsindekserne (n, m) koordinaterne for radiusvektoren R i det skrå koordinatsystem specificeret på grafenplanet , som bestemmer orienteringen af røraksen i forhold til grafenplanet og dets diameter.

Nanorørets diameter beregnes ud fra cylinderdiameteren, hvis omkreds er lig med længden af vektoren R og udtrykkes i form af chiralitetsindekser (n, m) som:

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

hvor = 0,142 nm er afstanden mellem tilstødende carbonatomer i grafitplanet. $d_{{0}}$

En anden måde at betegne chiralitet på er at angive vinklen α mellem retningen af nanorørets foldning og retningen, hvori tilstødende sekskanter deler en fælles side. I dette tilfælde vælges den mindste vinkel, således at 0° ≤ α ≤ 30°. Men i dette tilfælde, for en fuldstændig beskrivelse af nanorørs geometri, er det nødvendigt at specificere dens diameter [4] .

Forholdet mellem chiralitetsindekserne ( n, m) og vinklen α er givet ved:

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

Ifølge typen af ender er kulstofnanorør

åben;
lukket (ender i en halvkugle, som kan betragtes som et halvt fulleren- molekyle ).

Ifølge antallet af lag er nanorør

enkeltvægget (et lag);
flervæggede (mange lag).

Ved elektroniske egenskaber

metal ( divideret med 3) [2] [5] $nm$
halvleder (andre n og m)

På basis af chiralitetsindekser er enkeltvæggede nanorør opdelt i 3 typer:

n \u003d m - "lænestol" eller "tand" (lænestol), α \u003d 30 °
m = 0 - "zigzag" (zigzag), α = 0°
n ≠ m — chiral

I den russisksprogede litteratur er der en fejlagtig tilskrivning af α = 0° til takkede nanorør og α = 30° (2n, n) til zigzag-rør, som har spredt sig fra en oversigtsartikel af A. V. Yeletsky [6] .

Enkeltvæggede nanorør

Single wall carbon nanorør bruges i lithium-ion-batterier, kulfibermaterialer og bilindustrien. I bly-syre-batterier øger tilføjelsen af enkeltvæggede nanorør antallet af genopladningscyklusser betydeligt. For enkeltvæggede kulstofnanorør er styrkefaktoren GPa og for stål GPa [7] . $halvtreds$ $en$

Den industrielle teknologi til syntese af enkeltvæggede kulstofnanorør OCSiAl , udviklet af akademiker fra det russiske videnskabsakademi Mikhail Predtechensky , gør det muligt at opnå nanorør af usædvanlig høj kvalitet og tilbyde dem til verdensmarkedet til en pris, der gør deres brug i branchen økonomisk overkommelig for første gang [8] [9] .

Flervæggede nanorør

Flervæggede (flervæggede kulstofnanorør) nanorør adskiller sig fra enkeltvæggede i et meget bredere udvalg af former og konfigurationer. Mangfoldigheden af strukturer manifesteres både i langsgående og tværgående retninger.

Strukturen af typen "matryoshka" (russiske dukker) er et sæt koaksialt indlejrede cylindriske rør. En anden type af denne struktur er et sæt indlejrede koaksiale prismer. Endelig ligner den sidste af disse strukturer en rulle (scroll). For alle strukturer i fig. karakteristisk værdi af afstanden mellem tilstødende grafenlag, tæt på værdien af 0,34 nm, iboende i afstanden mellem tilstødende planer af krystallinsk grafit [10] .

Implementeringen af en eller anden struktur af flervæggede nanorør i en specifik eksperimentel situation afhænger af syntesebetingelserne. En analyse af de tilgængelige eksperimentelle data indikerer, at den mest typiske struktur af flervæggede nanorør er en struktur med sektioner af "russiske rededukker" og "papier-mâché" typer skiftevis placeret langs længden. I dette tilfælde indsættes "rørene" af en mindre størrelse sekventielt i de større [10] . En sådan model understøttes f.eks. af fakta om interkalation af kalium eller ferrichlorid i "intertube"-rummet og dannelsen af strukturer af "perle"-typen.

Opdagelseshistorie

Fulleren (C 60 ) blev opdaget af gruppen Smalley , Kroto og Curl i 1985 [11] , som disse forskere blev tildelt Nobelprisen i kemi for i 1996 . Hvad angår kulstofnanorør, kan den nøjagtige dato for deres opdagelse ikke angives her. Selvom det er velkendt, at Iijima observerede strukturen af flervæggede nanorør i 1991 [ 12] , er der tidligere beviser for opdagelsen af kulstofnanorør. For eksempel i 1974-1975 udgav Endo et al . [13] en række artikler, der beskrev tynde rør med en diameter på mindre end 100 Å , fremstillet ved dampkondensering, men der blev ikke udført mere detaljeret undersøgelse af strukturen. En gruppe videnskabsmænd fra Institute of Catalysis of the Siberian Branch af USSR Academy of Sciences i 1977, mens de undersøgte karboniseringen af jern-chrom dehydrogeneringskatalysatorer under et mikroskop, registrerede dannelsen af "hule carbon dendritter" [14] , mens en dannelsesmekanisme blev foreslået, og strukturen af væggene blev beskrevet. I 1992 blev der publiceret en artikel i tidsskriftet Nature [15] om, at nanorør var blevet observeret i 1953 . Et år tidligere, i 1952 , rapporterede en artikel af de sovjetiske videnskabsmænd Radushkevich og Lukyanovich [16] om elektronmikroskopisk observation af fibre med en diameter på omkring 100 nm, opnået ved termisk nedbrydning af kulilte på en jernkatalysator . Disse undersøgelser blev heller ikke videreført. I 2006 blev kulstof nanorør opdaget i Damaskus stål [17] .

Der er mange teoretiske værker, der forudsiger en given allotrop form for kulstof . I [18] spekulerede kemikeren Jones (Dedalus) om oprullede rør af grafit. I værket af L. A. Chernozatonsky og andre [19] , udgivet samme år som Iijimas arbejde, blev kulstofnanorør opnået og beskrevet, og M. Yu. enkeltvæggede kulstofnanorør i 1986 , men antydede også deres store elasticitet [ 20] .

For første gang blev muligheden for at danne nanopartikler i form af rør opdaget for kulstof. I øjeblikket er lignende strukturer blevet opnået fra bornitrid , siliciumcarbid , overgangsmetaloxider og nogle andre forbindelser. Diameteren af nanorør varierer fra en til flere titusinder af nanometer, og længden når op på flere mikrometer.

Strukturelle egenskaber

elastiske egenskaber; defekter, når den kritiske belastning overskrides:
- i de fleste tilfælde repræsenterer de en ødelagt celle - en sekskant af gitteret - med dannelsen af en femkant eller septagon i stedet for. Af de specifikke træk ved grafen følger det, at defekte nanorør vil blive forvrænget på lignende måde, det vil sige med udseendet af buler (ved 5) og sadeloverflader (ved 7). Af størst interesse i dette tilfælde er kombinationen af disse forvrængninger, især dem, der er placeret overfor hinanden ( Stone-Wales defekt ) - dette reducerer styrken af nanorøret, men danner en stabil forvrængning i dets struktur, der ændrer sidstnævntes egenskaber: der dannes med andre ord en permanent bøjning i nanorøret.
åbne og lukkede nanorør

Elektroniske egenskaber af nanorør

Elektroniske egenskaber for grafitplanet

Gensidigt gitter, første Brillouin-zone

Alle K-punkter i den første Brillouin-zone er adskilt fra hinanden af translationsvektoren af det reciproke gitter, så de er faktisk alle ækvivalente. På samme måde er alle punkter i K' ækvivalente.

Spektrum i den tætbindende tilnærmelse (se grafen for flere detaljer )

Dirac-punkter (se grafen for detaljer )

Grafit er et halvmetal , som kan ses med det blotte øje på grund af lysrefleksionens natur . Det kan ses, at p-orbitalernes elektroner fylder den første Brillouin-zone fuldstændigt. Det viser sig således, at grafitplanets Fermi-niveau passerer nøjagtigt gennem Dirac-punkterne, dvs. hele Fermi-overfladen (mere præcist en linje i det todimensionale tilfælde) degenererer til to ikke-ækvivalente punkter.

Hvis elektronernes energi afviger lidt fra Fermi-energien , så kan man erstatte det sande spektrum af elektroner nær Dirac-punktet med et simpelt konisk, det samme som spektret af en masseløs partikel, der adlyder Dirac-ligningen i 2+1 dimensioner .

SU(4) symmetri

Transformation af spektret ved foldning af flyet til et rør

Born-Karman grænseforhold
Effektiv Dirac-ligning
Metal- og halvlederrør _

Typen af nanorørs ledningsevne afhænger af deres chiralitet, det vil sige af den symmetrigruppe, som et bestemt nanorør tilhører, og den overholder en simpel regel: hvis nanorørsindeksene er lig med hinanden, eller deres forskel er divideret med tre, nanorør er et halvmetal, i alle andre tilfælde udviser de halvlederegenskaber.

Oprindelsen af dette fænomen er som følger. Et grafitplan (grafen) kan repræsenteres som et uendeligt forlænget, mens et nanorør, med kendte forbehold, kan repræsenteres som et endimensionelt objekt. Hvis vi forestiller os et grafen-nanorørfragment, som det folder sig ud på et grafitark, så kan det ses, at i retning af rørfolden falder antallet af tilladte bølgevektorer til værdier, der er fuldstændigt bestemt af chiralitetsindekserne (den længden af en sådan vektor k er omvendt proportional med rørets omkreds). Figuren viser eksempler på tilladte k -tilstande af et metallisk og halvleder nanorør. Det kan ses, at hvis den tilladte værdi af bølgevektoren falder sammen med punktet K, vil der i nanorørets båndmønster også være en skæring af valensbåndet og ledningsbåndet, og nanorøret vil udvise semi- metalliske egenskaber og i det andet tilfælde halvlederegenskaber [21] .

Spektrets opførsel ved påføring af et langsgående magnetfelt

Regnskab for interaktionen mellem elektroner

Bosonisering
Luttingers væske
Adskillelse af spin og ladning
Eksperimentel status

Superledning i nanorør

Superledningsevnen af kulstof nanorør blev opdaget af forskere fra Frankrig og Rusland (IPTM RAS, Chernogolovka). De udførte målinger af strøm-spændingskarakteristika:

et separat enkeltvægget nanorør med en diameter på ~1 nm;
et stort antal enkeltvæggede nanorør rullet til et bundt;
samt individuelle flervæggede nanorør.

Ved en temperatur tæt på 4 K blev der observeret en strøm mellem to superledende metalkontakter. I modsætning til konventionelle tredimensionelle ledere har ladningsoverførsel i et nanorør en række funktioner, der tilsyneladende er forklaret af overførslens endimensionelle karakter (såsom kvantisering af modstanden R: se en artikel offentliggjort i Science [22] ).

Excitoner og biexcitoner i nanorør

Exciton (latin excito - "jeg exciterer") er en brintlignende kvasipartikel, som er en elektronisk excitation i et dielektrikum eller halvleder, der migrerer gennem krystallen og ikke er forbundet med overførsel af elektrisk ladning og masse.

Selvom en exciton består af en elektron og et hul, skal den betragtes som en uafhængig elementær (ikke-reducerbar) partikel i tilfælde, hvor interaktionsenergien mellem en elektron og et hul er af samme størrelsesorden som energien af deres bevægelse, og interaktionsenergien mellem to excitoner er lille sammenlignet med energien af hver af dem. En exciton kan betragtes som en elementær kvasipartikel i de fænomener, hvor den fungerer som en hel formation, der ikke er udsat for påvirkninger, der er i stand til at ødelægge den.

En biexciton er en bundet tilstand af to excitoner. Det er i virkeligheden et excitonmolekyle.

For første gang blev ideen om muligheden for at danne et excitonmolekyle og nogle af dets egenskaber beskrevet uafhængigt af S. A. Moskalenko og M. A. Lampert.

Dannelsen af en biexciton viser sig i de optiske absorptionsspektre i form af diskrete bånd, der konvergerer mod kortbølgelængdesiden ifølge en brintlignende lov. Det følger af en sådan struktur af spektrene, at dannelsen af ikke kun jorden, men også exciterede tilstande af biexcitoner er mulig.

Stabiliteten af en biexciton bør afhænge af bindingsenergien af selve excitonen, forholdet mellem de effektive masser af elektroner og huller og deres anisotropi.

Biexcitondannelsesenergien er mindre end det dobbelte af excitonenergien med værdien af biexcitonbindingsenergien.

Optiske egenskaber af nanorør

Halvledermodifikationer af kulstofnanorør (forskellen i chiralitetsindekser er ikke et multiplum af tre) er halvledere med direkte mellemrum. Dette betyder, at direkte rekombination af elektron -hul-par kan forekomme i dem, hvilket fører til emission af en foton . Det direkte båndgab inkluderer automatisk kulstofnanorør blandt optoelektronikkens materialer .

Halvledernanorør udsender i det synlige og infrarøde område under påvirkning af optisk ( fotoluminescens ) eller elektrisk excitation ( elektroluminescens ) [23] . Nanorør kan sammen med kvanteprikker og fluorescerende molekyler være kilder til enkelte fotoner, hvilket er blevet påvist både under kryogene forhold [24] og ved stuetemperatur for funktionaliserede nanorør [25] . Dette giver os mulighed for at betragte nanorør som en potentiel kilde til stråling [26] til kvanteberegning .

Memristor egenskaber af nanorør

I 2009 demonstrerede Yao, Zhang et al . [27] en memristor baseret på enkeltvæggede horisontalt orienterede kulstofnanorør placeret på et dielektrisk substrat. Manifestationen af memristoreffekten i den præsenterede struktur skyldtes interaktionen af CNT'er med et dielektrisk substrat og indfangningen af ladningsbærere ved CNT/SiO2-grænsefladen.

I 2011 opdagede Vasu, Sampath og andre [28] memristor-effekten på en række misorienterede MWCNT'er. Det blev fundet, at resistiv omskiftning i arrayet skyldes dannelsen af ledende kanaler fra CNT'er orienteret af det elektriske felt.

I 2013 rapporterede Ageev, Blinov et al . [29] opdagelsen af en memristor-effekt på vertikalt orienterede carbon nanorør-stråler i en undersøgelse ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi . Senere, i 2015, viste den samme gruppe af videnskabsmænd muligheden for resistiv skift i individuelle vertikalt justerede CNT'er. Den opdagede memristoreffekt var baseret på udseendet af et indre elektrisk felt i CNT under dets deformationa [30] .

Egenskaber for interkalerede nanorør

Mulige anvendelser af nanorør

Mekaniske anvendelser: kraftige filamenter, kompositmaterialer , nanobalancer.
Anvendelser i mikroelektronik: transistorer , nanotråde, nanoantenner [31] , transparente ledende overflader, brændselsceller .
At skabe forbindelser mellem biologiske neuroner og elektroniske enheder i den seneste hjerne -computer udvikling.
Kapillærapplikationer : kapsler til aktive molekyler, opbevaring af metaller og gasser, nanopipetter.
Optiske applikationer: skærme , LED'er .
Medicin (under aktiv udvikling).
Enkeltvæggede nanorør (individuelle, i små samlinger eller i netværk) er miniaturesensorer til detektering af molekyler i et gasformigt medium eller i opløsninger med ultrahøj følsomhed - når molekyler adsorberes på overfladen af et nanorør, dets elektriske modstand , samt som karakteristika for en nanotransistor, kan ændre sig. Sådanne nanosensorer kan bruges til miljøovervågning, militære, medicinske og bioteknologiske anvendelser.
Space Elevator Tether : Nanorør kan teoretisk holde enorme vægte - op til et ton pr. kvadratmillimeter. Det har dog endnu ikke været muligt at få tilstrækkeligt lange kulstofrør med en vægtykkelse på et atom [32] , hvilket gør det nødvendigt at bruge tråde vævet af relativt korte nanorør, hvilket reducerer den endelige styrke.
Plader af kulstof nanorør kan bruges som flade gennemsigtige højttalere , kinesiske forskere kom til denne konklusion [33]
kunstige muskler. Ved at sprøjte paraffin ind i en snoet filament af nanorør lykkedes det et internationalt hold af forskere fra University of Texas at skabe en kunstig muskel, der er 85 gange stærkere end et menneske [34]
Strømgeneratorer og motorer. Tråde af paraffin- og kulstofrør kan absorbere varme og lysenergi og omdanne det til mekanisk energi. Erfaring har vist, at disse garner kan modstå over en million snoning/afrulningscyklusser ved 12.500 rpm eller 1200 kompressions-/strækcyklusser i minuttet uden synlige tegn på slid. [35] Sådanne filamenter kan bruges til at generere energi fra sollys.
Aktuelle kilder. Brugen af enkeltvæggede kulstofnanorør som et ledende additiv i lithium-ion-batterier gør det muligt at øge procentdelen af aktivt materiale i elektrodesammensætningen, hvilket betyder at øge strømkildens energiintensitet. Ifølge undersøgelser er det ved hjælp af TUBALL nanorør fremstillet af OCSiAl i 10 Ah prismatiske batterier muligt at opnå en stigning i volumetrisk energiforbrug med 10 % [36] [37] . Til gengæld kan tilføjelsen af 0,001-0,01% af disse enkeltvæggede nanorør til elektrodepastaen af bly-syre-batterier øge batteriets levetid med 4 gange, og også positivt påvirke dets andre egenskaber [38] .
Single wall carbon nanorør er et alsidigt ledende additiv. Lave koncentrationer i den samlede masse af materialet - fra 0,01% - giver elektrisk ledningsevne og forbedrer de fysiske og mekaniske egenskaber af plast, elastomerer, kompositter og belægninger uden at påvirke farve, rheologiske og andre egenskaber negativt [39] .
Sikring af den elektriske ledningsevne af polymerer. Kulstofnanorør introduceret i mikroskopiske mængder i polymerer gør det muligt at reducere deres elektriske modstand med titusindvis af gange - fra værdiintervallet "hundredevis af megaohm - en gigaohm" til relativt små værdier "en - titusinder af kiloohm" ". Denne egenskab bruges til at forhindre akkumulering af statiske elektricitetsladninger på polymere materialer.

Indhentning af kulstof nanorør

Udviklingen af metoder til syntese af kulstofnanorør (CNT'er) fulgte vejen til at sænke syntesetemperaturerne. Efter skabelsen af teknologi til fremstilling af fullerener , blev det konstateret, at under den elektriske lysbuefordampning af grafitelektroder, sammen med dannelsen af fullerener, dannes udvidede cylindriske strukturer [40] . Mikroskopist Sumio Iijima, ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop (TEM), var den første til at identificere disse strukturer som nanorør. Højtemperaturmetoderne til fremstilling af CNT'er inkluderer den elektriske lysbuemetode. Hvis en grafitstang ( anode ) fordampes i en elektrisk lysbue, dannes en hård kulstofopbygning (aflejring) på den modsatte elektrode ( katode ) i hvis bløde kerne indeholder flervæggede CNT'er med en diameter på 15- 20 nm og en længde på mere end 1 mikron.

Dannelsen af CNT'er fra fullerensod under højtemperatur termisk virkning på sod blev først observeret af Oxford [41] og schweiziske [42] grupper . Installationen til lysbuesyntese er metalintensiv, energikrævende, men universel til at opnå forskellige typer kulstof nanomaterialer. Et væsentligt problem er processens manglende ligevægt under lysbuebrænding. Den elektriske lysbuemetode kom på et tidspunkt til at erstatte metoden med laserfordampning ( laserablation ). Ablationsenheden er en konventionel resistiv varmeovn, der giver en temperatur på 1200°C. For at opnå højere temperaturer i det er det nok at placere et kulstofmål i ovnen og rette en laserstråle mod det, skiftevis at scanne hele overfladen af målet. Således opnåede Smalleys gruppe, ved hjælp af dyre installationer med en kortpulslaser, nanorør i 1995, hvilket "betydeligt forenklede" teknologien til deres syntese [43] .

Udbyttet af CNT'er forblev dog lavt. Indførelsen af små tilsætninger af nikkel og kobolt (0,5 atm.%) i grafit gjorde det muligt at øge udbyttet af CNT'er til 70-90% [44] . Fra det øjeblik begyndte en ny fase i konceptet om mekanismen for nanorørdannelse. Det blev tydeligt, at metallet er en vækstkatalysator . Således dukkede de første værker op om produktion af nanorør ved en lavtemperaturmetode - ved metoden til katalytisk pyrolyse af kulbrinter ( CVD ), hvor partikler af et jerngruppemetal blev brugt som katalysator . En af installationsmulighederne til fremstilling af nanorør og nanofibre ved CVD-metoden er en reaktor, hvori der tilføres en inert bæregas, som fører katalysatoren og kulbrinte ind i højtemperaturzonen.

Forenklet er CNT-vækstmekanismen som følger. Kulstoffet, der dannes under den termiske nedbrydning af kulbrinteren, opløses i metalnanopartiklerne. Når en høj koncentration af kulstof i partiklen er nået, på en af siderne af katalysatorpartiklen, sker der en energimæssigt gunstig "frigivelse" af overskydende kulstof i form af en forvrænget semi-fulleren hætte. Sådan bliver et nanorør født. Det nedbrudte kulstof fortsætter med at trænge ind i katalysatorpartiklen, og for at frigive overskydende koncentration i smelten skal det konstant bortskaffes. Den stigende halvkugle (semifulleren) fra overfladen af smelten bærer det opløste overskydende kulstof med sig, hvis atomer uden for smelten danner en C-C-binding, som er et cylindrisk ramme-nanorør.

Smeltetemperaturen for en partikel i en tilstand i nanostørrelse afhænger af dens radius. Jo mindre radius, jo lavere smeltetemperatur på grund af Gibbs-Thompson-effekten [45] . Derfor er jernnanopartikler med en størrelse på omkring 10 nm i smeltet tilstand under 600 °C. I øjeblikket er lavtemperatursyntese af CNT'er ved katalytisk pyrolyse af acetylen i nærværelse af Fe-partikler ved 550 °C blevet udført. Reduktion af syntesetemperaturen har også negative konsekvenser. Ved lavere temperaturer opnås CNT'er med en stor diameter (ca. 100 nm) og en stærkt defekt struktur såsom "bambus" eller "indlejrede nanokegler". De resulterende materialer består kun af kulstof, men de kommer ikke engang tæt på de ekstraordinære egenskaber (for eksempel Youngs modul ) observeret i enkeltvæggede kulstofnanorør opnået ved laserablation eller elektrisk lysbuesyntese.

CVD er en mere kontrollerbar metode, der gør det muligt at kontrollere vækststedet og de geometriske parametre for kulstofrør [46] ] på enhver type substrat. For at opnå en række CNT'er på substratoverfladen dannes katalysatorpartikler først på overfladen ved at kondensere en ekstrem lille mængde af den. Dannelse af katalysatoren er mulig ved brug af kemisk aflejring fra en opløsning indeholdende en katalysator, termisk fordampning, ionstråleforstøvning eller magnetronforstøvning. Ubetydelige variationer i mængden af kondenseret stof pr. overfladeenhed forårsager en betydelig ændring i størrelsen og antallet af katalytiske nanopartikler og fører derfor til dannelsen af CNT'er, der adskiller sig i diameter og højde i forskellige områder af substratet. Kontrolleret vækst af CNT'er er mulig, hvis en Ct-Me-N-legering anvendes som katalysator, hvor Ct (katalysator) er valgt fra gruppen Ni, Co, Fe, Pd; Me (bindemetal) - valgt fra gruppen Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re; N (nitrogen). Tiltrækningskraften ved denne proces med CNT-vækst på film af legeringer af et katalytisk metal med metaller fra gruppe V-VII i det periodiske system af grundstoffer ligger i en lang række faktorer til styring af processen, hvilket gør det muligt at kontrollere parametrene for CNT-arrays, såsom højde, tæthed og diameter. Når der anvendes legeringsfilm, er CNT-vækst mulig på tynde film af forskellig tykkelse og ledningsevne. Alt dette gør det muligt at integrere denne proces i integrerede teknologier [47] .

Fibre fra kulstofrør

Til den praktiske anvendelse af CNT'er søges der i øjeblikket efter en metode til at skabe forlængede fibre baseret på dem, som igen kan væves ind i en snoet tråd. Det har allerede været muligt at skabe forlængede fibre fra kulstofnanorør, som har høj elektrisk ledningsevne og styrke, der er bedre end stål [48] .

Nanorør toksicitet

Eksperimentelle resultater i de senere år har vist, at lange multi-walled carbon nanorør (MWNT'er) kan fremkalde en respons svarende til asbestfibre . Mennesker beskæftiget med udvinding og forarbejdning af asbest er flere gange mere tilbøjelige til at udvikle tumorer og lungekræft end befolkningen generelt. Karcinogeniciteten af fibre af forskellige typer asbest er meget forskellig og afhænger af diameteren og typen af fibre. På grund af deres lave vægt og størrelse trænger kulstofnanorør ind i luftvejene sammen med luft. Som et resultat koncentrerer de sig i lungehinden. Små partikler og korte nanorør kommer ud gennem porer i brystvæggen (3-8 µm i diameter), mens lange nanorør kan tilbageholdes og forårsage patologiske ændringer over tid.

Sammenlignende eksperimenter med tilsætning af enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er) til musefoder viste ingen mærkbar reaktion af sidstnævnte i tilfælde af nanorør med en længde af størrelsesordenen mikron. Samtidig viste et eksperiment med tilsætning af flervæggede kulstof nanorør til foderet af mus, at der i dette tilfælde er væsentlige ændringer i den fine struktur af villus i tyndtarmen i form af en stigning i antallet af ødelagte villi og proliferation af epitheliocytter [49] .

I 2016 gennemførte europæiske eksperter en række undersøgelser af arten og egenskaberne af enkeltvæggede kulstofnanorør og udviklede anbefalinger om specifikke metoder til at arbejde med dem. Som følge heraf blev TUBALL nanorør fremstillet af OCSiAl i Novosibirsk de første SWCNT'er, der blev registreret i overensstemmelse med EU's REACH-forordning og tilladte produktion og brug i Europa i industriel skala - op til 10 tons årligt [50] .

Oprensning af katalysatorer

Nanoskala metalkatalysatorer er vigtige komponenter i mange effektive metoder til syntese af CNT'er, og især til CVD-processer . De tillader også, til en vis grad, at kontrollere strukturen og chiraliteten af de resulterende CNT'er. [51] Under syntesen kan katalysatorerne omdanne kulstofholdige forbindelser til rørformet kulstof, hvorved de selv typisk bliver delvist indkapslet af grafitiserede kulstoflag. Således kan de blive en del af det resulterende CNT-produkt. [52] Sådanne metalliske urenheder kan være problematiske for mange CNT-applikationer. Katalysatorer som nikkel , kobolt eller yttrium kan f.eks. forårsage toksikologiske problemer. [53] Mens ikke-indkapslede katalysatorer er relativt lette at vaske ud med mineralsyrer, kræver indkapslede katalysatorer en oxidativ forbehandling for at åbne katalysatorens belægningsskal. [54] Effektiv fjernelse af katalysatorer, især indkapslede katalysatorer, samtidig med at CNT-strukturen opretholdes, er en kompleks og tidskrævende procedure. Mange CNT-oprensningsmuligheder er allerede blevet undersøgt og individuelt optimeret til kvaliteten af de anvendte CNT'er. [55] [56] En ny tilgang til oprensning af CNT'er, som gør det muligt samtidig at åbne og fordampe indkapslede metalkatalysatorer, er den ekstremt hurtige opvarmning af CNT'er og deres urenheder i et termisk plasma. [57]

Noter

↑ Laboratoriet vokser verdensrekordlængde Carbon Nanorør
↑ 1 2 nanorør, kulstof . thesaurus.rusnano.com. Dato for adgang: 14. november 2017. (ubestemt)
↑ Spinning af nanorørfibre ved Rice University - YouTube . Hentet: 27. januar 2013. (ubestemt)
↑ Iijima, S. og Ichihashi, T. (1993) Single-Shell Carbon Nanorør med 1 nm diameter. Nature, 363, 603-605. http://dx.doi.org/10.1038/363603a0
↑ Noriaki Hamada, Shin-ichi Sawada, Atsushi Oshiyama. Nye endimensionelle ledere: Grafiske mikrotubuli // Physical Review Letters. - 1992-03-09. - T. 68 , no. 10 . - S. 1579-1581 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.68.1579 .
↑ Carbon nanorør, A. V. Eletsky, UFN, september 1997, v. 167, nr. 9, art. 955
↑ Alexander Grek Ild, vand og nanorør // Popular Mechanics . - 2017. - Nr. 1. - S. 39-47.
↑ Skalerbar produktion og anvendelser af enkeltvæggede kulstofnanorør "SF Bay Area Nanotechnology Council " til lave omkostninger . sites.ieee.org. Dato for adgang: 21. september 2017.
↑ OCSiAl . ocsial.com. Dato for adgang: 21. september 2017. (Russisk)
↑ 1 2 Carbon nanorør og deres emissionsegenskaber, A. V. Yeletsky, UFN, april 2002, bind 172, nr. 4, art. 408
↑ HW Kroto, JRHeath, SC O'Brien, RF Curl, RE Smalley, C60: Buckminsterfullerene, Nature 318 162 (1985)
↑ S. Iijima, Spiralformede mikrotubuli af grafitisk kulstof, Nature 354 56 (1991)
↑ A. Oberlin, M. Endo og T. Koyama. Elektronmikroskopobservationer med høj opløsning af grafitiserede kulfibre Carbon, 14, 133 (1976)
↑ Buyanov R. A., Chesnokov V. V., Afanasiev A. D., Babenko V. S. Carbidmekanisme til dannelse af kulstofaflejringer og deres egenskaber på jern-chromdehydrogeneringskatalysatorer // Kinetics and catalysis 1977. Vol. 18. S. 1021.
↑ JAE Gibson. tidlige nanorør? Nature 359, 369 (1992)
↑ L. V. Radushkevich og V. M. Lukyanovich. På strukturen af carbon dannet under den termiske nedbrydning af carbonmonoxid på en jernkontakt. ZhFKh, 26, 88 (1952)
↑ Kulstof nanorør i Damaskus stål
↑ D.E.H. Jones (Daedalus). New Scientist 110 80 (1986)
↑ Z. Ya. Kosakovskaya, L. A. Chernozatonsky, E. A. Fedorov. Nanofiber carbon struktur. JETP Lett. 56 26 (1992)
↑ M. Yu. Kornilov. Du har brug for rørformet kulstof. Chemistry and Life 8 (1985)
↑ Chernozatonsky L. A. Sorokin P. B. Carbon nanorør: fra grundforskning til nanoteknologi / Pod. udg. Yu.N. Bubnov. - M . : Nauka, 2007. - S. 154-174. - ISBN 978-5-02-035594-1 .
↑ Science (Frank et al., Science, bind 280, s. 1744); 1998
↑ Vasili Perebeinos, Marcus Freitag, Phaedon Avouris. Carbon-nanorør fotonik og optoelektronik (engelsk) // Nature Photonics. - 2008-06. — Bd. 2 , iss. 6 . - S. 341-350 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2008.94 .
↑ Alexander Högele, Christophe Galland, Martin Winger, Atac Imamoğlu. Photon Anti-bunching i fotoluminescensspektrene af et enkelt kulstof nanorør // Physical Review Letters. - 2008-05-27. - T. 100 , nej. 21 . - S. 217401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.217401 .
↑ Stephen K. Doorn, Han Htoon, Hiromichi Kataura, Takeshi Tanaka, Atsushi Hirano. Justerbar stuetemperatur enkeltfotonemission ved telekommunikationsbølgelængder fra sp3-defekter i kulstofnanorør // Nature Photonics. – 2017-09. — Bd. 11 , iss. 9 . - s. 577-582 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2017.119 .
↑ Wolfram HP Pernice, Ralph Krupke, Carsten Rockstuhl, A. Korneev, G. Gol'tsman. Fuldt integreret kvantefotonisk kredsløb med en elektrisk drevet lyskilde // Nature Photonics. — 2016-11. — Bd. 10 , iss. 11 . - s. 727-732 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2016.178 .
↑ Yao, juni; Jin, Zhong; Zhong, Lin; Natelson, Douglas; Tour, James M. Two-Terminal Nonvolatile Memories Baseret på Single-Walled Carbon Nanorør // ACS Nano : journal. - 2009. - 22. december ( bind 3 , nr. 12 ). - s. 4122-4126 . doi : 10.1021 / nn901263e .
↑ Vasu, K.S.; Sampath, S.; Sood, AK Ikke-flygtig unipolær resistiv switching i ultratynde film af grafen og carbon nanorør // Solid State Communications : journal. - 2011. - August ( bind 151 , nr. 16 ). - S. 1084-1087 . - doi : 10.1016/j.ssc.2011.05.018 .
↑ Ageev, OA; Blinov, Yu F.; Il'in, OI; Kolomiitsev, AS; Konoplev, BG; Rubashkina, M.V.; Smirnov, V. A.; Fedotov, AA Memristor effekt på bundter af vertikalt justerede kulstof nanorør testet ved scanning tunnel mikroskopi // Teknisk Fysik: tidsskrift. - 2013. - 11. december ( bd. 58 , nr. 12 ). - S. 1831-1836 . - ISSN 1063-7842 . - doi : 10.1134/S1063784213120025 .
↑ Ageev, OA; Blinov, Yu F.; Il'in, OI; Konoplev, BG; Rubashkina, M.V.; Smirnov, V. A.; Fedotov, AA Undersøgelse af resistiv omskiftning af vertikalt justerede kulstofnanorør ved scanning tunneling mikroskopi // Fysik i fast tilstand : journal. - 2015. - 16. april ( bind 57 , nr. 4 ). — S. 825-831 . — ISSN 1063-7834 . - doi : 10.1134/S1063783415040034 .
↑ Slyusar, V.I. Nanoantenner: tilgange og udsigter. - C. 58 - 65. . Elektronik: videnskab, teknologi, forretning. - 2009. - Nr. 2. C. 58 - 65 (2009). (ubestemt)
↑ News @ Mail.Ru: Kineserne har forbigået alle - 18,5 centimeter i længden
↑ Nano-bogstaver: Fleksible, strækbare, gennemsigtige kulstofnanorør tyndfilmshøjttalere Arkiveret 1. november 2008 på Wayback Machine (29. oktober 2008)
↑ iScience.ru - Fremtiden er allerede her, i vores nyhedSkapede kunstige muskler fra kulstof og paraffin | iScience.ru — Fremtiden er allerede her, i vores nyheder. Videnskabsnyheder
↑ Elektrisk, kemisk og fotonisk drevet torsions- og trækaktivering af hybride carbon nanorør-garnmuskler: http://www.sciencemag.org/content/338/6109/928 Science 16. november 2012: Vol. 338 nr. 6109 s. 928-932 DOI: 10.1126/science.1226762
↑ 360 koncept. Et skridt fremad i udviklingen af batterienergitæthed | Konstantin Tikhonov, OCSiAl | ees International . www.ees-magazine.com. Dato for adgang: 21. september 2017.
↑ SWCNT vs MWCNT og nanofibre. Anvendelser i lithium-ion-batterier og transparente ledende film (PDF-download tilgængelig ) . researchgate. Dato for adgang: 21. september 2017.
↑ Carbon nanorør skaber 'spektakulære ' forbedringer i blybatterier , Batteries International . Hentet 21. september 2017.
↑ En kæmpe fremtid for bittesmå rør (engelsk) (downlink) . www.specchemonline.com. Hentet 21. september 2017. Arkiveret fra originalen 30. marts 2017.
↑ Iijima S, Nature (London) 354 56 (1991).
↑ Peter JF Harris overhovedet. "Højopløsningselektronmikroskopiundersøgelser af et mikroporøst kulstof fremstillet ved buefordampning" // J. CHEM. SOC. FARADAY TRANS., 90(18), s. 2799-2802, (1994).
↑ W.A. de Heer og D. Ugarte. "Kulstofløg produceret ved varmebehandling af kulsod og deres relation til den 217,5 nm interstellare absorptionsfunktion" // Chem. Phys. Lett. 207, (1993) 480-486.
↑ 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 overhovedet. "Katalytisk produktion og oprensning af nanorør med diametre i fullerenskala". Carbon 33, 12, (1995) 1727-1738.
↑ P.R. Couchman og W.A. Jesser. "Termodynamisk teori om størrelsesafhængighed af smeltetemperatur i metaller". Nature 269, (1977) 481-483.
↑ Xu, F., Zhao, H., Tse, SD Carbon nanorørsyntese på katalytiske metallegeringer i methan/luft modstrøms diffusionsflammer // Proceedings of the Combustion Institute: artikel. - 2007. - Bd. 31 . - S. 1839-1847 .
↑ Pawel Mierczynski, Sergey V. Dubkov, Sergey V. Bulyarskii, Alexander A. Pavlov, Sergey N. Skorik. Vækst af kulstof nanorør-arrays på forskellige CtxMey-legeringsfilm ved kemisk dampaflejringsmetode // Journal of Materials Science & Technology. - doi : 10.1016/j.jmst.2017.01.030 .
↑ Carbon nanorør flettet ind i en elektrisk ledende fiber
↑ Evaluering af effekten af flerlags carbon nanorør på den morfofunktionelle cellulære tilstand af tyndtarmen hos mus . cyberleninka.ru. Dato for adgang: 21. september 2017. (ubestemt)
↑ REACH-registrering afsluttet for enkeltvæggede kulstofnanorør // PCI Magazine. - 2016. - 16. oktober. Arkiveret fra originalen den 24. november 2016.
↑ Yamada T., Namai T., Hata K., Futaba D.N., Mizuno K., Fan J., et al. Størrelseselektiv vækst af dobbeltvæggede kulstofnanorørskove fra konstruerede jernkatalysatorer // Nature Nanotechnology : journal . - 2006. - Bd. 1 . - S. 131-136 . - doi : 10.1038/nnano.2006.95 .
↑ MacKenzie KJ, Dunens OM, Harris AT En opdateret gennemgang af synteseparametre og vækstmekanismer for kulstofnanorør i fluidiserede lejer // Industrial & Engineering Chemical Research: tidsskrift. - 2010. - Bd. 49 . - P. 5323-5338 . - doi : 10.1021/ie9019787 .
↑ Jakubek LM, Marangoudakis S., Raingo J., Liu X., Lipscombe D., Hurt RH Hæmningen af neuronale calciumionkanaler ved sporniveauer af yttrium frigivet fra kulstofnanorør // Biomaterials : journal. - 2009. - Bd. 30 . - P. 6351-6357 . - doi : 10.1016/j.biomaterials.2009.08.009 .
↑ Hou PX, Liu C., Cheng HM. Oprensning af kulstofnanorør // Kulstof. — Elsevier , 2008. — Vol. 46 . - S. 2003-2025 . - doi : 10.1016/j.carbon.2008.09.009 .
↑ Ebbesen TW, Ajayan PM, Hiura H., Tanigaki K. Oprensning af nanorør // Nature . - 1994. - Bd. 367 . — S. 519 . - doi : 10.1038/367519a0 .
↑ Xu YQ, Peng H., Hauge RH, Smalley RE Kontrolleret flertrinsoprensning af enkeltvæggede kulstofnanorør // Nano Letters : journal. - 2005. - Bd. 5 . - S. 163-168 . - doi : 10.1021/nl048300s .
↑ Meyer-Plath A., Orts-Gil G., Petrov S et al. Plasma-termisk rensning og udglødning af kulstofnanorør // Kulstof : journal. — Elsevier , 2012. — Vol. 50 . - S. 3934-3942 . - doi : 10.1016/j.carbon.2012.04.049 .

Se også

Litteratur

Lozovik Yu.E., Popov A.M. Dannelse og vækst af kulstofnanostrukturer - fullerener, nanopartikler, nanorør og kegler // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Det russiske videnskabsakademi , 1997. - T. 167 , nr. 7 . - S. 751-774 . (Russisk)
Lozovik Yu.E., Popov A.M. Egenskaber og nanoteknologiske anvendelser af nanorør // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Det Russiske Videnskabsakademi , 2007. - T. 177 . - S. 786-799 . (Russisk)
Dyachkov P.N. Kulstof nanorør: struktur, egenskaber, anvendelser. — M .: Binom, 2006. — 293 s.
Slyusar, V.I. Nanoantenner: tilgange og udsigter. - C. 58 - 65. . Elektronik: videnskab, teknologi, forretning. - 2009. - Nr. 2. C. 58 - 65 (2009). (ubestemt)

Links

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Fantastisk catalansk stor kinesisk Britannica (online) Britannica (online) Universalis
I bibliografiske kataloger	GND : 4581365-6 J9U : 987007572833305171 LCCN : sh2013002061 NDL : 00722909

Allotropi af kulstof
sp 3	Diamant Lonsdaleite
sp 2	Grafit Grafen fulleren Nanokegler Nanorør Astralens
sp	Karabin
blandet sp 3 /sp 2	glasagtig kulstof nanoskum
Andet	C1 _ C2 _ C3 _ Nanofibre Fullerite
hypotetisk	metallisk kulstof Chaoite
relaterede	Sod kulsort Kul ( fossil Woody aktiveret )