Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой цилиндрические молекулы, которые состоят из свернутых листов однослойных атомов углерода (графена). Они могут быть одностенными (SWCNT) диаметром менее 1 нанометра (нм) или многостенными (MWCNT), состоящими из нескольких концентрически связанных нанотрубок, с диаметром, достигающим более 100 нм. Их длина может достигать нескольких микрометров или даже миллиметров.
Как и их строительный блок графен, УНТ химически связаны с sp 2 связями, чрезвычайно сильной формой молекулярного взаимодействия. Эта особенность в сочетании с естественным наклоном углеродных нанотрубок к канату вместе силами Ван-дер-Ваальса, дает возможность разрабатывать сверхвысокопрочные, легковесные материалы, которые обладают высокопроводящими электрическими и термическими свойствами. Это делает их очень привлекательными для многочисленных применений.
Направление свертывания (скручивание или хиральный вектор) графеновых слоев определяет электрические свойства нанотрубок. Хиральность описывает угол гексагональной решетки атома углерода нанотрубки.
Нанотрубки в форме кресел - так называемые из-за формы их краев в форме кресел - имеют идентичные хиральные показатели и очень желательны для их идеальной проводимости. Они отличаются от зигзагообразных нанотрубок, которые могут быть полупроводниками. Поворот графенового листа всего на 30 градусов изменит нанотрубку, которую он образует, с кресла на зигзаг или наоборот.
В то время как MWCNT всегда проводят и достигают, по крайней мере, того же уровня проводимости, что и металлы, проводимость SWCNT зависит от их хирального вектора: они могут вести себя как металл и быть электропроводящими; отобразить свойства полупроводника или быть непроводящим.
Например, небольшое изменение шага спиральности может превратить трубку из металла в полупроводник с большим зазором
Помимо своих электрических свойств, которые они наследуют от графена, УНТ также обладают уникальными тепловыми и механическими свойствами, которые делают их интересными для разработки новых материалов:
- их механическая прочность на растяжение может быть в 400 раз больше, чем у стали;
- они очень легкие - их плотность составляет одну шестую плотности стали;
- их теплопроводность лучше, чем у алмаза
- они имеют очень высокое соотношение сторон, превышающее 1000, т.е. по отношению к их длине они чрезвычайно тонкие;
- площадь поверхности острия вблизи теоретического предела (чем меньше площадь поверхности острия, тем более сконцентрировано электрическое поле и тем больше коэффициент усиления поля);
- как и графит, они обладают высокой химической стабильностью и устойчивы практически к любому химическому воздействию, если только на них одновременно не воздействуют высокие температуры и кислород - свойство, которое делает их чрезвычайно устойчивыми к коррозии;
- их полая внутренняя часть может быть заполнена различными наноматериалами, отделяя и экранируя их от окружающей среды - свойство, которое чрезвычайно полезно для применений наномедицины, таких как доставка лекарств.
Все эти свойства делают углеродные нанотрубки идеальными кандидатами для электронных устройств, химических / электрохимических и биосенсоров, транзисторов, эмиттеров электронного поля, литий-ионных батарей, источников белого света, аккумуляторов водорода, электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), электростатического разряда (ESD) и применение электроизоляции.
Обратите внимание, что углеродные нанотрубки отличаются от углеродных нановолокон (CNF). CNF обычно имеют длину несколько микрометров и диаметр около 200 нм. Углеродные волокна использовались в течение десятилетий для укрепления компаунда, но они не имеют такой же структуры решетки, как УНТ.
Вместо этого они состоят из комбинации нескольких форм углерода и / или нескольких слоев графита, которые расположены под различными углами на аморфном углероде (где атомы не располагаются в упорядоченных структурах). CNF обладают такими же свойствами, что и CNT, но их прочность на разрыв ниже из-за их переменной структуры, и они не являются полыми внутри.
Кто открыл углеродные нанотрубки?
Тысячи статей публикуются каждый год на УНТ или в смежных областях, и большинство из них посвящены открытию УНТ Сумио Иидзиме, который в 1991 году опубликовал новаторскую статью в журнале Nature, в которой сообщил об открытии многостенных углеродных нанотрубок.
При беглом взгляде на научную литературу может сложиться впечатление, что Иидзима является фактическим исследователем углеродных нанотрубок. Конечно, нет никаких сомнений в том, что он сделал два плодотворных вклада в эту область, однако тщательный анализ литературы показывает, что он, конечно, не первый, кто сообщил о существовании УНТ.
Углубившись в историю углеродных нанотрубок, становится совершенно очевидным, что происхождение УНТ может быть даже доисторическим по своей природе.
Как делают углеродные нанотрубки?
В настоящее время доступны три основных метода производства УНТ: дуговой разряд, лазерная абляция графита и химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ).
В первых двух процессах графит сжигается электрически или с помощью лазера, и УНТ, развивающиеся в газовой фазе, отделяются. Все три метода требуют использования металлов (например, железа, кобальта, никеля) в качестве катализаторов.
Очистка
Хотя синтетические методы были улучшены для получения углеродных нанотрубок высокой чистоты, образование побочных продуктов, содержащих примеси, такие как наночастицы в металлической оболочке, металлические частицы на кончике углеродной нанотрубки и аморфный углерод, было неизбежным явлением, потому что металлические наночастицы имеют важное значение для роста нанотрубок.
Эти посторонние наночастицы, а также структурные дефекты, которые произошли во время синтеза, имеют определённое значение, они модифицируют физико-химические свойства полученных углеродных нанотрубок.
Вот почему углеродные нанотрубки необходимо очищать с помощью различных методов, таких как кислотная обработка или ультразвук, в конце производственного процесса.