Karbon Nanorør Vitenskap Og Teknologi

Original English version: http://www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm

Karbon nanorør er molekylstilt rør av grafittisk karbon med fremragende egenskaper. De er blant de sterkeste og stiveste fibre som er kjent, og har bemerkelsesverdige elektroniske egenskaper og mange andre unike egenskaper. Av disse grunner har de tiltrukket stor akademisk og industriell interesse, med tusenvis av papirer på nanorør blir publisert hvert år. Kommersielle programmer har vært ganske treg til å utvikle, men først og fremst på grunn av de høye produksjonskostnadene for den beste kvaliteten nanorør.

Historie

Den nåværende stor interesse for karbon nanorør er en direkte konsekvens av syntesen av buckminsterfullerener, C₆₀, og andre fullerener, i 1985. Oppdagelsen av at karbon kan danne stabile, bestilt andre enn grafitt strukturer og diamant stimulert forskere over hele verden for å søke etter andre nye former av karbon. Letingen ble gitt ny fart når det ble vist i 1990 at C-₆₀ kan bli produsert i en enkel bue-inndampningsapparat lett tilgjengelig i alle laboratorier. Det ble ved anvendelse av en slik inndamper at den japanske vitenskaps Sumio Iijima oppdaget Fullerelaterte karbonnanorør i 1991. Rørene som inneholdt minst to lag, ofte mange flere, og varierte i ytre diameter fra 3 nm til 30 nm. De ble alltid lukket i begge ender.

En transmisjons-elektronmikrograf av enkelte flerveggs nanorør er vist i figuren (til venstre). I 1993 ble en ny klasse av karbon nanorør oppdaget, med bare et enkelt lag. Disse enkeltveggede nanorør er generelt smalere enn de flerveggs rør, med diametere typisk i området 1-2 nm, og har en tendens til å bli buet i stedet for rett. Bildet til høyre viser noen typiske enkelt vegger rør Det ble snart etablert at disse nye fibre hadde en rekke enestående egenskaper (se nedenfor), og dette utløst av en eksplosjon av forskning på karbon nanorør. Det er viktig å merke seg imidlertid at nanoskala rør av karbon, produsert katalytisk, hadde vært kjent i mange år før Iijima oppdagelse. Den viktigste grunnen til at disse tidlige rør ikke opphisse bred interesse er at de var strukturelt heller mangelfull, så hadde ikke særlig interessante egenskaper. Nyere forskning har fokusert på å forbedre kvaliteten på katalytisk produserte nanorør.

Struktur

Sammenbindingen i karbon nanorør er sp², med hvert atom bundet til tre naboer, som i grafitt. Rørene kan derfor betraktes som opprullede graphene ark (graphene er en individuell grafittlaget). Det er tre forskjellige måter som en graphene ark kan rulles inn i et rør, som vist i diagrammet nedenfor.

To av disse første, kjent som “lenestol” (øverst til venstre) og “sikksakk” (midten til venstre) har en høy grad av symmetri. Uttrykkene “lenestol” og “sikksakk” refererer til arrangementet av sekskanter rundt omkretsen. Den tredje klasse av rør, som i praksis er den mest vanlige, er kjent som chiral, noe som betyr at den kan eksistere i to speilmessige former. Et eksempel på en chiral nanorør er vist nederst til venstre.

Strukturen av et nanorør kan angis ved hjelp av en vektor, (n, m) som definerer hvordan graphene plate er rullet opp. Dette kan forstås med henvisning til figur til høyre. For å fremstille et nanorør med indeksene (6,3), si, blir arket rulles opp, slik at atomet merket med (0,0) er overlagret på den ene merket (6,3). Det kan sees fra figuren at m = 0 for alle sikk-sakk-rør, mens n = m for alle lenestol rør.

Syntese

Lysbuen-fordampning metode, som gir den beste kvalitet nanorør, omfatter å føre en strøm på omkring 50 ampere mellom to grafittelektroder i en atmosfære av helium. Dette fører til at grafitt å fordampe, noe av det kondenseres på veggene i reaksjonskaret og noe av det på katoden. Det er avsetningen på katoden som inneholder karbon nanorør. Enkelt nanorør produseres når Co og Ni, eller et annet metall tilsettes til anoden. Det har vært kjent siden 1950-tallet, hvis ikke tidligere, at karbon nanorør også fremstilles ved å føre en karbonholdig gass, så som et hydrokarbon, over en katalysator. Katalysatoren består av nanostørrelse partikler av metall, vanligvis Fe, Co eller Ni. Disse partiklene katalyserer nedbrytningen av de gassformige molekyler til karbon, og et rør begynner da å vokse med en metallpartikkel på spissen. Det ble vist på 1996 det enkeltveggede nanorør kan også fremstilles katalytisk. Perfeksjon av karbon nanorør produsert på denne måten har generelt vært dårligere enn de som er laget av lysbue-fordampning, men store forbedringer i teknikken er blitt gjort i de senere år. Den store fordelen med katalytisk syntese i løpet av lysbue-fordampning er at det kan bli skalert opp for volumproduksjon. Den tredje viktige metode for fremstilling av karbon nanorør involverer bruk av en kraftig laser for å fordampe en metall-grafitt mål. Dette kan brukes for å fremstille enkelt-vegger rør med høyt utbytte. Den store fordelen med katalytisk syntese i løpet av lysbue-fordampning er at det kan bli skalert opp for volumproduksjon. Den tredje viktige metode for fremstilling av karbon nanorør involverer bruk av en kraftig laser for å fordampe en metall-grafitt mål. Dette kan brukes for å fremstille enkelt-vegger rør med høyt utbytte. Den store fordelen med katalytisk syntese i løpet av lysbue-fordampning er at det kan bli skalert opp for volumproduksjon. Den tredje viktige metode for fremstilling av karbon nanorør involverer bruk av en kraftig laser for å fordampe en metall-grafitt mål. Dette kan brukes for å fremstille enkelt-vegger rør med høyt utbytte.

Egenskaper

Styrken på sp² karbon-karbon-bindinger gir karbon nanorør utrolige mekaniske egenskaper. Stivheten av et materiale som er målt i form av dens elastisitetsmodul, graden av endring av spenning med anvendt belastning. Youngs modulus av de beste nanorør kan være så høyt som 1,000 GPa som er omtrent 5 ganger høyere enn stål. Strekkstyrken, eller bruddspenning av nanorør kan være opp til 63 GPa, rundt 50x høyere enn stål. Disse egenskaper, kombinert med letthet av karbon nanorør, som gir dem stor potensial i anvendelser slik som romfart. Det har også blitt foreslått at nanorør kan brukes i “romelevator”, en Earth-to-space kabelen først foreslått av Arthur C. Clarke. De elektroniske egenskaper av karbon nanorør er også usedvanlig. Spesielt bemerkelsesverdig er det faktum at nanorør kan være metallisk eller halvledende, avhengig av deres struktur. Således skiller noen nanorør har ledningsevner som er høyere enn den for kobber, mens andre oppfører seg mer som silisium. Det er stor interesse i muligheten for å bygge nanoskala elektroniske enheter fra nanorør, og noen er det framgang på dette området. Men for å konstruere en nyttig enheten vi må arrangere mange tusen nanorør i et definert mønster, og vi ennå ikke har graden av kontroll er nødvendig for å oppnå dette. Det er flere områder av teknologi hvor karbon nanorør allerede er i bruk. Disse omfatter flatskjermer, scanning probe mikroskoper og føleanordninger. De unike egenskaper av karbon nanorør vil utvilsomt føre til mange flere bruksområder. noen nanorør har ledningsevner som er høyere enn den for kobber, mens andre oppfører seg mer som silisium. Det er stor interesse i muligheten for å bygge nanoskala elektroniske enheter fra nanorør, og noen er det framgang på dette området. Men for å konstruere en nyttig enheten vi må arrangere mange tusen nanorør i et definert mønster, og vi ennå ikke har graden av kontroll er nødvendig for å oppnå dette. Det er flere områder av teknologi hvor karbon nanorør allerede er i bruk. Disse omfatter flatskjermer, scanning probe mikroskoper og føleanordninger. De unike egenskaper av karbon nanorør vil utvilsomt føre til mange flere bruksområder. noen nanorør har ledningsevner som er høyere enn den for kobber, mens andre oppfører seg mer som silisium. Det er stor interesse i muligheten for å bygge nanoskala elektroniske enheter fra nanorør, og noen er det framgang på dette området. Men for å konstruere en nyttig enheten vi må arrangere mange tusen nanorør i et definert mønster, og vi ennå ikke har graden av kontroll er nødvendig for å oppnå dette. Det er flere områder av teknologi hvor karbon nanorør allerede er i bruk. Disse omfatter flatskjermer, scanning probe mikroskoper og føleanordninger. De unike egenskaper av karbon nanorør vil utvilsomt føre til mange flere bruksområder. Det er stor interesse i muligheten for å bygge nanoskala elektroniske enheter fra nanorør, og noen er det framgang på dette området. Men for å konstruere en nyttig enheten vi må arrangere mange tusen nanorør i et definert mønster, og vi ennå ikke har graden av kontroll er nødvendig for å oppnå dette. Det er flere områder av teknologi hvor karbon nanorør allerede er i bruk. Disse omfatter flatskjermer, scanning probe mikroskoper og føleanordninger. De unike egenskaper av karbon nanorør vil utvilsomt føre til mange flere bruksområder. Det er stor interesse i muligheten for å bygge nanoskala elektroniske enheter fra nanorør, og noen er det framgang på dette området. Men for å konstruere en nyttig enheten vi må arrangere mange tusen nanorør i et definert mønster, og vi ennå ikke har graden av kontroll er nødvendig for å oppnå dette. Det er flere områder av teknologi hvor karbon nanorør allerede er i bruk. Disse omfatter flatskjermer, scanning probe mikroskoper og føleanordninger. De unike egenskaper av karbon nanorør vil utvilsomt føre til mange flere bruksområder. og vi ennå ikke har grad av kontroll er nødvendig for å oppnå dette. Det er flere områder av teknologi hvor karbon nanorør allerede er i bruk. Disse omfatter flatskjermer, scanning probe mikroskoper og føleanordninger. De unike egenskaper av karbon nanorør vil utvilsomt føre til mange flere bruksområder. og vi ennå ikke har grad av kontroll er nødvendig for å oppnå dette. Det er flere områder av teknologi hvor karbon nanorør allerede er i bruk. Disse omfatter flatskjermer, scanning probe mikroskoper og føleanordninger. De unike egenskaper av karbon nanorør vil utvilsomt føre til mange flere bruksområder.

Nanohorns

Enkelt-vegger karbon kjegler med morfologi som ligner på de av nanorør caps ble først utarbeidet av Peter Harris, Edman Tsang og kolleger i 1994 (Klikk her til å se vår papir). De ble produsert av høy temperatur varmebehandling av Fulle sot – Klikk her til å se et typisk bilde. Sumio Iijima gruppe senere viste at de også kunne bli produsert ved laser ablasjon av grafitt, og ga dem navnet “nanohorns”. Denne gruppen har vist at nanohorns har bemerkelsesverdig adsorptive og katalytiske egenskaper.