Hiilinanoputket, niiden tuotanto, ominaisuudet ja sovellukset

Hiilinanoputket, niiden tuotanto, ominaisuudet ja sovellukset.

Hiilinanoputket ovat hiilen hiilimodifikaatiota, joka on ontto sylinterimäinen rakenne, jonka halkaisija on kymmenesosasta useisiin kymmeniin nanometreihin ja pituus yhdestä mikrometristä useisiin senttimetreihin, koostuu yhdestä tai useammasta rullatusta grafeenitasosta.

Hiilinanoputkien kuvaus

Hiilinanoputkien tyypit ja luokitus

Hiilinanoputkien ominaisuudet ja edut

Hiilinanoputkien fysikaaliset ominaisuudet

Hiilinanoputkien tuotanto

Hiilinanoputkien käyttö

Muut hiilen muodot: grafeeni, vahvistettu - vahvistava grafeeni, karbyni, timantti-, fullereeni, hiilinanoputki, "Vickery".


Hiilinanoputkien kuvaus:

Hiilinanoputket ovat hiilen hiilimodifikaatiota, joka on ontto sylinterimäinen rakenne, jonka halkaisija on kymmenesosasta useisiin kymmeniin nanometreihin ja pituus yhdestä mikrometristä useisiin senttimetreihin, koostuu yhdestä tai useammasta rullatusta grafeenitasosta.

Hiilinanoputket ovat yksi allotrooppisista muodoista hiiltä , rinnalla timantti-, grafiitti, grafeeni, fullereeni, karbyni , jne.

Jos katsot hiilinanoputkea mikroskoopilla miljoonalla suurennuksella, voimme havaita onton sylinterin, jonka pinnan muodostavat monet kuusikulmainen monikulmioita. Tasasivuisen monikulmion yläosassa on hiiliatomi. Hiilinanoputki muistuttaa visuaalisesti arkkia paperia rullattu putkeen, vain paperin sijasta tulisi ottaa huomioon grafiitin pinta (tarkemmin - GN) kone. Putken sylinterimäisen tason tiedeyhteisössä kutsutaan grafeeniksi. Grafeenitason paksuus ei ylitä yhtä atomia hiiltä.

Hiilinanoputkien pituus voi olla jopa useita senttimetrejä. Jotkut tutkijat pystyivät syntetisoimaan pituudeltaan hiilinanoputkia 20 cm Pitempien rakenteiden saamiseksi ne voidaan kutoa rajoittamattoman pituiseen lankaan.

Nanoputkien fysikaaliset ominaisuudet ovat suoraan riippuvaisia ​​kiraalisuudesta (pienimpien ainehiukkasten ominaisuus eivät ole täysin päällekkäisiä sen peilikuvan kanssa). Kiraalisuuden aste, jonka määrää kiraalisuuden erityisindeksien välinen riippuvuus (n, m) ja tietty putken kapenemiskulma (a).

Kiraalisuusindeksit (n, m) ovat säde-vektorin R koordinaatit tietyssä grafeenissa tasossa vinosta koordinaattijärjestelmässä, joka määrittää putken akselin suunnan grafeenitasoon nähden, ja sen halkaisija. Indeksit (n, m) ilmoita kuusikulmaverkon sijainti, hyytymisputkesta saatujen tulojen on oltava samansuuntaisia ​​kuusikulmion kanssa alkupisteessä.

Hiilinanoputkien tyypit ja luokitus:

Kiraalisuusindeksit erotetaan: suoraan, rosoinen, siksak- ja kierteiset hiilinanoputket.

Grafeenikerrosten lukumäärä, hiilinanoputket on jaettu yksikerroksisiksi (yksiseinäinen) ja monikerroksinen (moniseinäinen).

Yksinkertaisin nanoputki sisältää yhden kerroksen. Yksikerroksisten nanoputkien halkaisija voi olla yksi nanometri, pituuden on ylitettävä edellinen vaihtoehto tuhansia kertoja. Yksikerroksinen nanoputki tunnistetaan usein “kuvio” grafeenia ruudukkorakenteella, joka koostuu lukemattomista säännöllisistä polygoneista.

Monikerroksiset nanoputket sisältävät useita grafeenikerroksia. Niille on ominaista laaja valikoima muotoja ja kokoonpanoja. Erilaisilla rakenteilla voidaan nähdä sekä pituus- että poikittaissuunnassa. Tässä ovat seuraavat tyypit:

- nanoputket koaksiaalisesti sijoitettuina toisiinsa lieriömäisiin putkiin, niin sanottu “Venäläisiä nukkeja” (venäläiset nuket),

- nanoputket sarjaan sisäkkäin koaksiaalisia (kuusikulmainen) prismat,

- nanoputket vierityksen muodossa (vieritä).

Viereisten grafeenikerrosten välinen etäisyys on 0.34 nm, kuten tavallisessa grafiitissa.

Hiilinanoputkien päiden tyyppi on:

avata

- suljettu (päättyen puolipalloon, jota voidaan pitää puolena fullereenimolekyylistä).

Hiilinanoputkien elektroniset ominaisuudet on jaettu:

metalli-. Kiraalisuusindeksien ero (n - m) on jaettavissa 3 jompikumpi indekseistä on yhtä suuri,

- puolijohde. Muut kiraalisuuden indeksiarvot (n, m).

Nanoputkien johtavuus riippuu niiden kiraaalisuudesta, ts., symmetriaryhmä, joka kuuluu tiettyyn nanoputkeen, ja se on yksinkertainen sääntö: jos nanoputken indeksit ovat samat tai niiden ero jaetaan kolmella, nanoputki on puolimetalli, missään muussa tapauksessa, niillä on puolijohtavia ominaisuuksia.

Hiilinanoputkien ominaisuudet ja edut:

- sillä on adsorptiivisia ominaisuuksia. Voi varastoida erilaisia ​​kaasuja, esimerkiksi. vety. Atomien ja molekyylien sisälle pääsy ei voi enää mennä ulos, koska putken päät ovat sinetöityjä ja kulkevat sylinterin grafeenitason läpi, he eivät voi, hiilihilan takia ovat liian kapeat useimmille atomille,

- niillä on kapillaarivaikutus. Hiilinanoputket ovat avoimia päitä vetäviä nestemäisiä aineita ja sulaa metallia,

- muiden materiaalien parempi suorituskyky niiden rakenteen lisäksi,

- voimakas. Hiilinanoputket ovat vahvempia kuin parhaat teräkset 50-100 ajat

- ovat kuusi kertaa vähemmän tiheitä kuin tavallinen teräs. Tämä tarkoittaa, että samaan tilavuuteen hiilinanoputkiin perustuvat materiaalit olisivat kymmenen kertaa vahvempia. Nanokabel pituus alkaen maapallo kuuhun, koostuu yhdestä hiili nanoputki voidaan kääriä unikonsiemen kokoiselle kelalle,

- nuorten moduuli on hiili nanoputket ovat kaksinkertaiset tavanomaisiin hiilikuidut,

pieni kierre hiilinanoputkia, jonka halkaisija on 1 mm kestää painon 20 tonnia, satoja miljardeja kertoja suurempi kuin oma massa,

- korkea palonkestävyys,

suurin ominaispinta-ala 2,600 m2 / g,

- suuri joustavuus. Ne voivat venyttää, puristaa, kierre, jne. pelkäämättä vahingoittaa heitä millään tavalla. Ne muistuttavat kovakumiputkia, jotka eivät repeytyneet tai murtuneet erilaisissa mekaanisissa kuormituksissa. kuitenkin, kriittisten nanoputkien ylittämisen mekaanisten jännitysten vaikutuksesta ei vain repeytynyt tai murtunut, juuri rakennettu, samalla säilyttäen suuren lujuuden, joustavuus, muut mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet,

- korkea kulutuskestävyys. Uudelleenkäytettävä kanta (tuhansia ja kymmeniä tuhansia kiertämisen / irrotuksen syklejä, puristus / venytys minuutissa) nanoputket eivät millään tavalla vaikuta niiden vahvuuteen, niiden sähkön- ja lämmönjohtavuus. Mahdolliset muodonmuutoksen tai kulumisen merkit,

- lisääntynyt sähkön- ja lämmönjohtavuus. Kuparin johtavuus paras metallijohdin jaksollisessa taulukossa, On 1000 kertaa huonompi kuin hiilinanoputket. Tässä tapauksessa, putkien johtavuus riippuu kiraalisuusindeksistä. Joissakin tapauksissa, nanoputket voivat olla puolijohteita, toisissa näyttää lähes täydelliset johtimet. Jälkimmäisessä tapauksessa, käyttämällä nanoputkia, on mahdollista siirtää sähkövirran arvo 107 A / cm2 ja siten ne eivät tuota lämpöä (tavallisessa kuparista valmistetussa johtimessa menisi pois),

- sähköisten ja mekaanisten ominaisuuksien välinen suhde

myrkyllisyys ja karsinogeenisuus samanlainen kuin asbestikuiduilla. kuitenkin, nanoputkien toksiknosti ja karsinogeenisuus (kuten asbestikuidut) on hyvin erilainen ja riippuu kuitujen halkaisijasta ja tyypistä. Tähän mennessä, tutkimus jatkuu nanoputkien biologisten yhteensopivuuksien kanssa elävien organismien kanssa. Joka tapauksessa, nanoputkien kanssa työskenneltäessä olisi noudatettava turvatoimia, ja ensisijaisesti hengityselinten ja ruoansulatuselinten suojaamiseksi,

- näytä memristor-vaikutus

- ovat väliasennossa kiteiden ja yksittäisten atomien välillä. Siksi, - hiili nanoputket myötävaikuttavat laitteiden pienentämiseen,

- käyttämällä hiilinanoputkia puolijohteiden heterorakenteiden luomiseen, ts., tyypin rakenteet “metalli / puolijohde” tai kahden eri puolijohteen risteys,

- jolla on korkea johtavuus lämmön tehokkaaseen poistamiseen

kiinni radioaaltoja taajuudella 40 että 400 MHz (tavanomaiset AM- ja FM-aallot), ja sitten vahvistaa ja välittää ne

- hydrofobinen. Hylkää vettä.

Hiilinanoputkien fysikaaliset ominaisuudet:

Parametrin nimi: Arvo:
Erityinen pinta-ala, m2 / g aikeissa 2 600

Hiilinanoputkien tuotanto:

Tehokkaimmat nanoputkisynteesimenetelmät ovat:

- laserablaatio,

- kaari hitsaus,

kemiallinen laskeutumissubstraatti kaasun väliaineesta toiminnan aikana katalyytin lämpötilassa 700 ° C (CVD).

- grafiittielektrodin plasmakaaripurkauksen lämpösputkaus ilmakehässä heliumia.

kuitenkin, näiden menetelmien tuloksena on sekoitus erilaisia ​​hiilinanoputkia: moniseinäiset ja yksiseinäiset, eri halkaisijoilla, joilla on erilaiset kiraalisuusindeksit ja siten erilaiset ominaisuudet. Siksi, Annetuilla parametreilla nanoputkien erottamisessa on vakava tekninen ongelma.

Hiilinanoputkien käyttö:

- mikroelektroniikka,

- superkondensaattorit (ultrakondensaattorit, superkondensaattorit),

- tekniset tekstiilit

- lujat kuidut, säie,

- tutkaa vaimentava pinnoite

- autojen osat,

- koettimet atomivoimamikroskoopille

- paristojen pitkä käyttöikä,

rakenteelliset komposiittimateriaalit, joiden suorituskyky on parempi

likaantumista estävä maali (alusten vedenalaisten osien suojaamiseksi),

kaasu biosensorit,

- johtavat muovit,

- litteät näytöt,

- keinotekoiset lihakset. Keinotekoinen lihas hiilen nanoputkien kierretyistä säikeistä lisäämällä parafiinia 85 kertaa vahvempi kuin ihminen,

- jne.