Traduction 1001-soldes.com ©2017 Tous droits réservés | Texte original : http://www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm

Een pagina met koolstof nanobuizen

Nanobuiswetenschap Nanotube-koppelingen Boeken en recensies Nano-sites Commerciële leveranciers vertaalwerk

Carbon nanobuis wetenschap en technologie

Koolstofnanobuisjes zijn moleculaire buizen van grafietkoolstof met uitstekende eigenschappen. Ze behoren tot de stijfste en sterkste vezels die bekend zijn en hebben opmerkelijke elektronische eigenschappen en vele andere unieke kenmerken. Om deze redenen hebben ze een enorme academische en industriële interesse gewekt, met elk jaar duizenden kranten over nanobuizen. Commerciële toepassingen zijn echter vrij traag om te ontwikkelen, echter voornamelijk vanwege de hoge productiekosten van nanotubes van de beste kwaliteit.Geschiedenis

De huidige grote belangstelling voor koolstofnanobuizen is een direct gevolg van de synthese van buckminsterfullerene, C 60 en andere fullerenen in 1985. De ontdekking dat koolstof stabiele, geordende structuren anders dan door grafiet en diamant gestimuleerde onderzoekers wereldwijd kan vormen om naar andere nieuwe te zoeken vormen van koolstof. De zoektocht kreeg een nieuw elan toen in 1990 werd aangetoond dat C 60 kon worden geproduceerd in een eenvoudig boogverdampingsapparaat dat direct in alle laboratoria beschikbaar was. Het gebruikte een dergelijke verdamper dat de Japanse wetenschapper Sumio Iijima in 1991 met fullerenen verwante koolstofnanobuisjes ontdekte. De buizen bevatten ten minste twee lagen, vaak nog veel meer, en varieerden in buitendiameter van ongeveer 3 nm tot 30 nm. Ze waren aan beide kanten steevast gesloten.

Een transmissie-elektronenmicrofoto van enkele meerwandige nanobuisjes wordt getoond in de figuur (links). In 1993 werd een nieuwe klasse koolstof nanobuizen ontdekt, met slechts een enkele laag. Deze enkelwandige nanobuizen zijn in het algemeen smaller dan de meerwandige buizen, met diameters meestal in het bereik van 1-2 nm, en hebben de neiging eerder gebogen dan recht te zijn.De afbeelding rechts toont enkele typische enkelwandige buizen. Al snel werd vastgesteld dat deze nieuwe vezels een aantal uitzonderlijke eigenschappen hadden (zie hieronder) en dit leidde tot een explosie van onderzoek naar koolstofnanobuisjes. Het is echter belangrijk op te merken dat buizen op nanoschaal van koolstof, katalytisch geproduceerd, al vele jaren bekend waren voordat Iijima ontdekte. De belangrijkste reden waarom deze vroege buizen geen grote belangstelling wekten, was dat ze structureel nogal onvolmaakt waren, en dus geen bijzonder interessante eigenschappen hadden. Recent onderzoek heeft zich gericht op het verbeteren van de kwaliteit van katalytisch geproduceerde nanobuisjes. 




Structuur

De binding in koolstofnanobuisjes is sp ² , met elk atoom verbonden met drie buren, zoals in grafiet. De buizen kunnen daarom worden beschouwd als opgerolde grafeenvellen (grafeen is een individuele grafietlaag). Er zijn drie verschillende manieren waarop een grafeenvel in een buis kan worden gerold, zoals weergegeven in het onderstaande diagram.

De eerste twee hiervan, bekend als 'fauteuil' (links boven) en 'zig-zag' (links in het midden) hebben een hoge mate van symmetrie. De termen "fauteuil" en "zigzag" verwijzen naar de opstelling van zeshoeken rond de omtrek. De derde klasse van buis, die in de praktijk het meest voorkomt, staat bekend als chiraal, wat betekent dat het kan bestaan ​​in twee spiegelgerelateerde vormen. Een voorbeeld van een chirale nanobuis wordt links onderaan getoond.

De structuur van een nanobuis kan worden gespecificeerd door een vector, (n, m), die definieert hoe het grafeenvel wordt opgerold. Dit is te begrijpen aan de hand van de afbeelding rechts. Om een ​​nanobuis te produceren met de indices (6,3), wordt het vel opgerold, zodat het atoom met het label (0,0) wordt gesuperponeerd op het gelabelde (6,3). Uit de figuur blijkt dat m = 0 voor alle zigzagbuizen, terwijl n = m voor alle leunstoelbuizen.

Synthese

De boogverdampingsmethode, die de beste kwaliteit nanobuizen produceert, omvat het doorvoeren van een stroom van ongeveer 50 ampère tussen twee grafietelektroden in een atmosfeer van helium. Hierdoor verdampt het grafiet, waarvan een deel condenseert op de wanden van het reactievat en een deel ervan op de kathode. Het is de afzetting op de kathode die de koolstofnanobuisjes bevat. Enkelwandige nanobuizen worden geproduceerd wanneer Co en Ni of een ander metaal aan de anode wordt toegevoegd. Het is al sinds de jaren vijftig bekend, zo niet eerder, dat koolstofnanobuizen ook kunnen worden gemaakt door een koolstofhoudend gas, zoals een koolwaterstof, over een katalysator te leiden. De katalysator bestaat uit nanodeeltjes metaaldeeltjes, meestal Fe, Co of Ni. Deze deeltjes katalyseren de afbraak van de gasvormige moleculen in koolstof en een buis begint dan te groeien met een metaaldeeltje aan de punt. In 1996 werd aangetoond dat enkelwandige nanobuisjes ook katalytisch kunnen worden geproduceerd. De perfectie van koolstofnanobuisjes die op deze manier is geproduceerd, is over het algemeen slechter dan die geproduceerd door boogverdamping, maar de afgelopen jaren zijn er grote verbeteringen in de techniek aangebracht. Het grote voordeel van katalytische synthese ten opzichte van boogverdamping is dat het kan worden opgeschaald voor volumeproductie. De derde belangrijke methode voor het maken van koolstofnanobuisjes betreft het gebruik van een krachtige laser om een ​​metaalgrafiet doel te verdampen. Dit kan worden gebruikt om enkelwandige buizen met hoge opbrengst te produceren.

eigenschappen

De kracht van de sp ² koolstof-koolstofbindingen geven koolstof nanobuisjes verbazingwekkende mechanische eigenschappen. De stijfheid van een materiaal wordt gemeten in termen van de Young's modulus, de mate van verandering van spanning met uitgeoefende spanning. De Young-modulus van de beste nanobuisjes kan oplopen tot 1000 GPa, wat ongeveer 5x hoger is dan staal. De treksterkte of breukspanning van nanobuisjes kan oplopen tot 63 GPa, ongeveer 50x hoger dan staal. Deze eigenschappen, gekoppeld aan de lichtheid van koolstofnanobuizen, geven ze een groot potentieel in toepassingen zoals de lucht- en ruimtevaart. Er is zelfs gesuggereerd dat nanobuisjes kunnen worden gebruikt in de "space elevator", een aarde-naar-ruimte kabel die voor het eerst werd voorgesteld door Arthur C. Clarke. De elektronische eigenschappen van koolstofnanobuisjes zijn ook buitengewoon. Vooral opmerkelijk is het feit dat nanobuizen van metaal of halfgeleiders kunnen zijn, afhankelijk van hun structuur. Sommige nanobuisjes hebben dus geleidbaarheden die hoger zijn dan die van koper, terwijl andere zich meer als silicium gedragen.Er bestaat grote belangstelling voor de mogelijkheid nanotechnieken op nanoschaal te bouwen uit nanobuisjes, en op dit gebied wordt enige vooruitgang geboekt. Om een ​​nuttig apparaat te construeren, moeten we echter vele duizenden nanobuisjes in een bepaald patroon rangschikken en we hebben nog niet de mate van controle die nodig is om dit te bereiken. Er zijn verschillende technologische gebieden waar al koolstofnanobuisjes worden gebruikt. Deze omvatten flat-panel displays, scanning probe microscopen en sensor apparaten. De unieke eigenschappen van koolstofnanobuizen zullen ongetwijfeld tot veel meer toepassingen leiden.

Nanohorns

Enkelwandige koolstofkegels met morfologieën vergelijkbaar met die van nanobuizenkapjes werden voor het eerst bereid door Peter Harris, Edman Tsang en collega's in 1994 (klik hier om ons artikel te bekijken). Ze werden geproduceerd door hittebehandelingen op hoge temperatuur van fullerene roet - klik hier voor een typisch beeld. De groep van Sumio Iijima toonde vervolgens aan dat ze ook konden worden geproduceerd door laserablatie van grafiet en gaven ze de naam "nanohoorns". Deze groep heeft aangetoond dat nanohoorns opmerkelijke adsorptieve en katalytische eigenschappen hebben.

Terug naar boven

 Nanotube-koppelingen

 C & EN's geschiedenis van koolstofnanobuisjes

 Wikipedia's artikel over koolstofnanobuisjes

 Een uitstekend programma genaamd Nanotube Modeler van JCrystal .

 Een compendium van fysische eigenschappen van koolstofnanobuizen door Thomas A. Adams II

 Shigeo Maruyama's Nanotube-animatiegalerij

Terug naar boven

 Nano-sites