УНТ хорошо подходят практически для любого применения, требующего высокой прочности, долговечности, электропроводности, теплопроводности и легких свойств по сравнению с обычными материалами.
В настоящее время УНТ в основном используются в качестве добавок к синтетике. УНТ коммерчески доступны в виде порошка, то есть в сильно запутанной и агломерированной форме. Чтобы УНТ раскрыли свои особые свойства, они должны быть распутаны и равномерно распределены в субстрате.
Другое требование заключается в том, что УНТ должны быть химически связаны с подложкой, например пластиковым материалом. Для этой цели УНТ функционализированы, т.е. их поверхность химически адаптирована для оптимального включения в различные материалы и для конкретного конкретного применения.
Углеродные нанотрубки также могут быть прядены в волокна, которые не только обещают интересные возможности для специального текстиля, но также могут помочь реализовать особенно утопический проект – космический лифт.
Материалы
Нанокомпозиты на основе углеродных нанотрубок получили большое внимание как очень привлекательная альтернатива традиционным композитным материалам из-за их механических, электрических, термических, барьерных и химических свойств, таких как электрическая проводимость, повышенная прочность на разрыв, улучшенная температура отклонения тепла или огнестойкость.
Эти материалы обещают предложить повышенную износостойкость и прочность на разрыв, антистатические свойства, а также снижение веса. Например, было подсчитано, что современные композиты CNT могут снизить вес самолетов и космических кораблей до 30%.
Эти композитные материалы уже находят применение в
- спортивных товарах (велосипедные рамы, теннисные ракетки, хоккейные клюшки, клюшки и мячи для гольфа, лыжи, спортивные стрелы)
- яхтинге (мачты, корпуса и другие части парусников)
- текстиле (антистатический и электропроводящий текстиль («умный текстиль»), пуленепробиваемые жилеты, водостойкий и огнестойкий текстиль)
- автомобильной, аэронавтике и космосе (легкие, высокопрочные конструкционные композиты)
- промышленном инжиниринге (например, покрытие лопастей ротора ветряных турбин, рукавов промышленных роботов)
- защите от электростатического заряда (например, исследователи разработали электропроводящую и гибкую плёнку CNT специально для космических применений) и защиту от излучения с помощью нанопен на основе CNT и аэрогелей.
Транзисторы
Несмотря на появление графена и других двумерных (2D) материалов, полупроводниковые одностенные углеродные нанотрубки по-прежнему считаются сильными кандидатами для следующего поколения высокопроизводительных ультрамасштабированных и тонкопленочных транзисторов, а также для опто- электронные устройства для замены кремниевой электроники.
Один из важнейших вопросов заключается в том, могут ли транзисторы с УНТ обеспечивать преимущества в производительности по сравнению с кремнием при длине менее 10 нм.
В сообществе наноэлектроники было неоднозначное мнение относительно того, будут ли транзисторы CNT поддерживать свою впечатляющую производительность при чрезвычайно масштабных длинах. Некоторые утверждали, что очень малая эффективная масса носителей будет способствовать туннельному явлению, которое приведет к поломке устройств около 15 нм - мнение, поддержанное несколькими теоретическими исследованиями, в которых исследовались нанотрубные устройства в таких размерах.
Между тем, другие по-прежнему были убеждены, что ультратонкий корпус одностенных углеродных нанотрубок - диаметром всего 1 нм - обеспечит превосходное поведение транзисторов даже до диапазона менее 10 нм.
До сих пор исследователи достигли только многообещающих экспериментальных результатов, и на данный момент остаются многочисленные проблемы, связанные с интеграцией УНТ-транзисторов в промышленное производство микросхем.
Датчики
Исследователи проложили путь к разработке электрохимических наносенсоров на основе УНТ, продемонстрировав возможности ОСУНТ в качестве квантовых проволок и их эффективность в разработке полевых транзисторов.
Многие исследования показали, что, хотя УНТ являются прочными и инертными структурами, их электрические свойства чрезвычайно чувствительны к эффектам переноса заряда и химического легирования различными молекулами.
Большинство датчиков на основе УНТ представляют собой полевые транзисторы (FET) - хотя УНТ представляют собой прочные и инертные структуры, их электрические свойства чрезвычайно чувствительны к воздействию переноса заряда и химического легирования различными молекулами. УНТ-полевые транзисторы широко используются для обнаружения газов, таких как парниковые газы, в окружающей среде.
Функционализация УНТ важна для того, чтобы сделать их селективными по отношению к целевому аналиту. Различные типы датчиков основаны на взаимодействиях молекулярного распознавания между функционализмом УНТ и целевыми аналитами.
Составы чернил, основанные на дисперсиях УНТ, являются привлекательными для приложений печатной электроники, таких как прозрачные электроды, RFID-метки, тонкопленочные транзисторы, светоизлучающие устройства и солнечные элементы.
Электроды
Углеродные нанотрубки широко используются в качестве электродов для химических и биологических датчиков и многих других электрохимических исследований. С их уникальной одномерной молекулярной геометрией большой площади поверхности в сочетании с их превосходными электрическими свойствами, УНТ стали важными материалами для молекулярной инженерии поверхностей электродов, где разработка электрохимических устройств с возможностью переноса электронов в конкретных регионах имеет первостепенное значение.
Отображение
Учитывая их высокую электропроводность и невероятную остроту наконечника (чем меньше радиус кривизны наконечника, тем более концентрированное электрическое поле, более высокая эмиссия поля), углеродные нанотрубки считаются наиболее перспективным материалом для полевых излучателей и практичным В качестве примера можно привести УНТ в качестве электронных излучателей для дисплеев с полевой эмиссией (FED).
Технология полевой эмиссии (FED) делает возможным создание нового класса плоских дисплеев большой площади с высоким разрешением и низкой стоимостью. Однако производство FED требует выращивания CNT с точными размерами и плотностью. Высота, диаметр и острота наконечника влияют на напряжение, а плотность влияет на ток.
Наномедицина и биотехнология
Углеродные наноматериалы, такие как нанотрубки или графен, не только широко исследованы на предмет их потенциального использования в промышленности, но и представляют большой интерес для инженеров-медиков, работающих в области нанотехнологий.
Существует значительный интерес к использованию УНТ для различных биомедицинских применений. Физические свойства УНТ, такие как механическая прочность, электропроводность и оптические свойства, могут иметь большое значение для создания современных биоматериалов.
Углеродные нанотрубки также могут быть химически модифицированы для представления определенных фрагментов (например, функциональных групп, молекул и полимеров), чтобы придать свойства, подходящие для биологических применений, такие как повышенная растворимость и биосовместимость, улучшенная совместимость материала и чувствительность клеток.
Например, углеродные нанотрубки, легированные азотом, были разработаны для применения в области доставки лекарств.
Однако проблема цитотоксичности УНТ является областью, которая уже вызвала большой исследовательский интерес и пока не дала однозначного ответа. Учитывая неубедительное состояние этих исследований в области нанотоксикологии, исследователи утверждают, что более систематические биологические оценки УНТ, имеющих различные химические и физические свойства, необходимы для определения их точной фармакокинетики, цитотоксичности и оптимальных доз.