Uhlíkové nanotrubice

Uhlíková nanotrubice  (zkr. CNT) je alotropní modifikace uhlíku , což je dutá válcovitá struktura o průměru od deseti do několika desítek nanometrů a délce od jednoho mikrometru do několika centimetrů [1] [2] (zároveň čas, existují technologie, které umožňují jejich tkaní do vláken neomezené délky [3] ), sestávajících z jedné nebo více grafenových rovin svinutých do trubice .

Struktura nanotrubic

Jakákoli jednostěnná uhlíková nanotrubice může být reprezentována jako vzor z grafenové desky (což je mřížka pravidelných šestiúhelníků s atomy uhlíku na jejich vrcholech), která je dána dvojicí čísel (n, m) nazývaných indexy chirality. V tomto případě jsou indexy chirality (n, m) souřadnicemi poloměrového vektoru R v šikmém souřadnicovém systému specifikovaném na grafenové rovině , který určuje orientaci osy trubice vzhledem k grafenové rovině a její průměr.

Průměr nanotrubice se vypočítá z průměru válce, jehož obvod se rovná délce vektoru R a je vyjádřen v indexech chirality (n, m) jako:

kde = 0,142 nm je vzdálenost mezi sousedními atomy uhlíku v grafitové rovině.

Dalším způsobem, jak označit chiralitu , je označit úhel α mezi směrem skládání nanotrubice a směrem, ve kterém sousední šestiúhelníky sdílejí společnou stranu. V tomto případě je zvolen nejmenší úhel, takže 0° ≤ α ≤ 30°. V tomto případě je však pro úplný popis geometrie nanotrubice nutné specifikovat její průměr [4] .

Vztah mezi indexy chirality (n, m) a úhlem α je dán vztahem:

Podle typu konců jsou uhlíkové nanotrubice

• OTEVŘENO;
• uzavřený (končící polokoulí, kterou lze považovat za polovinu molekuly fullerenu ).

Podle počtu vrstev jsou nanotrubice

• jednostěnné (jedna vrstva);
• vícestěnné (mnoho vrstev).

Podle elektronických vlastností

• kov ( děleno 3) [2] [5]
• polovodič (ostatní n a m)

Na základě indexů chirality se jednostěnné nanotrubice dělí na 3 typy:

• n \u003d m - „křeslo“ nebo „ozubené“ (křeslo), α \u003d 30 °
• m = 0 - „cik-cak“ (cik-cak), α = 0°
• n ≠ m — chirální

V ruskojazyčné literatuře je chybné připisování α = 0° zubatým nanotrubičkám a α = 30° (2n, n) klikatým trubičkám, které se rozšířilo z přehledového článku A. V. Yeletského [6] .

Jednostěnné nanotrubice

Jednostěnné uhlíkové nanotrubice se používají v lithium-iontových bateriích, materiálech z uhlíkových vláken a v automobilovém průmyslu. V olověných bateriích přidání jednostěnných nanotrubiček výrazně zvyšuje počet dobíjecích cyklů. Pro jednostěnné uhlíkové nanotrubice je faktor pevnosti GPa a pro ocel GPa [7] .

Průmyslová technologie syntézy jednostěnných uhlíkových nanotrubiček OCSiAl , vyvinutá akademikem Ruské akademie věd Michailem Predtečenským , umožňuje získat nanotrubice výjimečně vysoké kvality a nabídnout je světovému trhu za cenu, která umožňuje jejich využití. v průmyslu poprvé ekonomicky dostupné [8] [9] .

Vícestěnné nanotrubice

Vícestěnné (vícestěnné uhlíkové nanotrubičky) nanotrubičky se liší od jednostěnných v mnohem širší rozmanitosti tvarů a konfigurací. Různorodost struktur se projevuje jak v podélném, tak i příčném směru.

Struktura typu "matrjoška" (ruské panenky) je souborem koaxiálně vložených válcových trubek. Dalším typem této konstrukce je sada vnořených koaxiálních hranolů. Konečně poslední z těchto struktur připomíná svitek (svitek). Pro všechny konstrukce na Obr. charakteristická hodnota vzdálenosti mezi sousedními vrstvami grafenu, blízká hodnotě 0,34 nm, vlastní vzdálenosti mezi sousedními rovinami krystalického grafitu [10] .

Implementace té či oné struktury vícestěnných nanotrubiček v konkrétní experimentální situaci závisí na podmínkách syntézy. Analýza dostupných experimentálních dat ukazuje, že nejtypičtější strukturou vícestěnných nanotrubiček je struktura s úseky typu „ruské hnízdící panenky“ a „papier-mâché“ střídavě umístěné po délce. V tomto případě jsou „trubičky“ menší velikosti postupně vkládány do větších [10] . Takový model podporují například fakta o interkalaci chloridu draselného nebo železitého do „mezitrubičkového“ prostoru a vzniku struktur typu „perličky“.

Historie objevů

Fulleren (C 60 ) byl objeven skupinou Smalley , Kroto a Curl v roce 1985 [11] , za což byla těmto výzkumníkům v roce 1996 udělena Nobelova cena za chemii . Pokud jde o uhlíkové nanotrubice, zde nelze uvést přesné datum jejich objevu. Ačkoli je dobře známo, že Iijima pozoroval strukturu mnohostěnných nanotrubic v roce 1991 [ 12] , existují dřívější důkazy pro objev uhlíkových nanotrubic. Například v letech 1974-1975 Endo et al [13] publikovali řadu prací popisujících tenké trubky o průměru menším než 100  Å připravené kondenzací par, ale žádná podrobnější studie struktury nebyla provedena. Skupina vědců z Ústavu katalýzy sibiřské pobočky Akademie věd SSSR v roce 1977 při studiu karbonizace katalyzátorů dehydrogenace železo-chrom pod mikroskopem zaregistrovala vznik „dendritů z dutého uhlíku“ [14] . byl navržen mechanismus vzniku a popsána struktura stěn. V roce 1992 vyšel v časopise Nature [15] článek o tom, že nanotrubice byly pozorovány v roce 1953 . O rok dříve, v roce 1952 , článek sovětských vědců Radushkeviche a Lukyanoviče [16] referoval o elektronově mikroskopickém pozorování vláken o průměru asi 100 nm, získaných tepelným rozkladem oxidu uhelnatého na železném katalyzátoru . V těchto studiích se také nepokračovalo. V roce 2006 byly objeveny uhlíkové nanotrubice v damaškové oceli [17] .

Existuje mnoho teoretických prací předpovídajících danou alotropní formu uhlíku . V [18] chemik Jones (Dedalus) spekuloval o stočených trubicích z grafitu. V práci L. A. Chernozatonského a dalších [19] , publikované ve stejném roce jako práce Iijimy, byly získány a popsány uhlíkové nanotrubice a M. Yu jednostěnné uhlíkové nanotrubice v roce 1986 , ale také navrhl jejich velkou elasticitu [ 20] .

U uhlíku byla poprvé objevena možnost tvorby nanočástic ve formě trubic. V současné době byly podobné struktury získány z nitridu boru , karbidu křemíku , oxidů přechodných kovů a některých dalších sloučenin. Průměr nanotrubiček se pohybuje od jednoho do několika desítek nanometrů a délka dosahuje několika mikronů.

Konstrukční vlastnosti

• elastické vlastnosti; závady při překročení kritického zatížení:
  • ve většině případů představují zničenou buňku - šestiúhelník mřížky - s vytvořením pětiúhelníku nebo sedmiúhelníku na jeho místě. Ze specifických vlastností grafenu vyplývá, že vadné nanotrubičky budou deformovány podobným způsobem, tedy s výskytem vyboulenin (na 5) a sedlových ploch (na 7). Největší zájem je v tomto případě o kombinaci těchto zkreslení, zejména těch, které se nacházejí naproti sobě ( defekt Stone-Wales ) - to snižuje pevnost nanotrubice, ale vytváří stabilní zkreslení v její struktuře, které mění vlastnosti nanotrubice: jinými slovy, v nanotrubici se vytvoří trvalý ohyb.
• otevřené a uzavřené nanotrubice

Elektronické vlastnosti nanotrubic

Elektronické vlastnosti grafitové roviny

• Reciproční mřížka, první Brillouinova zóna

Všechny K body první Brillouinovy ​​zóny jsou od sebe odděleny translačním vektorem reciproké mřížky, takže jsou všechny vlastně ekvivalentní. Podobně všechny body K' jsou ekvivalentní.

• Spektrum v aproximaci s pevnou vazbou (další podrobnosti viz Grafen )

• Diracovy body (podrobnosti viz Grafen )

Grafit  je polokov , který lze vidět pouhým okem díky povaze odrazu světla . Je vidět, že elektrony p-orbitalů zcela vyplňují první Brillouinovu zónu. Ukazuje se tedy, že Fermiho hladina grafitové roviny prochází přesně Diracovými body, tzn. celý Fermiho povrch (přesněji čára ve dvourozměrném případě) degeneruje do dvou neekvivalentních bodů.

Pokud se energie elektronů liší od Fermiho energie , pak je možné nahradit skutečné spektrum elektronů v blízkosti Diracova bodu jednoduchým kuželovým, stejným jako spektrum bezhmotné částice , která se řídí Diracovou rovnicí v rozměrech 2+1. .

• SU(4) symetrie

Transformace spektra při skládání letadla do trubky

• Born-Karman okrajové podmínky
• Efektivní Diracova rovnice
• Kovové a polovodičové elektronky

Typ vodivosti nanotrubiček závisí na jejich chiralitě, tedy na skupině symetrie, do které konkrétní nanotrubice patří, a řídí se jednoduchým pravidlem: pokud jsou indexy nanotrubiček navzájem stejné nebo je jejich rozdíl dělen třemi, nanotrubice je polokov, v každém jiném případě vykazují polovodičové vlastnosti.

Původ tohoto jevu je následující. Grafitová rovina (grafen) může být reprezentována jako nekonečně rozšířená, zatímco nanotrubice se známými výhradami může být reprezentována jako jednorozměrný objekt. Pokud si fragment grafenové nanotrubice představíme jako jeho rozvinutí na grafitovou desku, pak je vidět, že ve směru přehybu trubice klesá počet povolených vlnových vektorů na hodnoty, které jsou zcela určeny indexy chirality (tzv. délka takového vektoru k je nepřímo úměrná obvodu trubky). Obrázek ukazuje příklady povolených k -stavů kovové a polovodičové nanotrubice. Je vidět, že pokud se povolená hodnota vlnového vektoru shoduje s bodem K, v pásovém vzoru nanotrubice bude také průsečík valenčního pásu a pásu vodivosti a nanotrubice bude vykazovat semi- vlastnosti kovů a v druhém případě vlastnosti polovodičů [21] .

• Chování spektra při aplikaci podélného magnetického pole

Účtování interakce elektronů

• Bosonizace
• Luttingerova kapalina
• Oddělení rotace a náboje
• Experimentální stav

Supravodivost v nanotrubičkách

Supravodivost uhlíkových nanotrubic objevili výzkumníci z Francie a Ruska (IPTM RAS, Černogolovka). Provedli měření charakteristik proud-napětí:

• samostatná jednostěnná nanotrubice o průměru ~1 nm;
• velké množství jednostěnných nanotrubiček svinutých do svazku;
• stejně jako jednotlivé vícestěnné nanotrubice.

Při teplotě blízké 4 K byl pozorován proud mezi dvěma supravodivými kovovými kontakty. Na rozdíl od konvenčních trojrozměrných vodičů má přenos náboje v nanotrubici řadu vlastností, které jsou zjevně vysvětleny jednorozměrnou povahou přenosu (jako je kvantování odporu R: viz článek publikovaný v Science [22] ).

Excitony a biexcitony v nanotrubičkách

Exciton (latinsky excito - „vzrušuji“) je kvazičástice podobná vodíku, což je elektronická excitace v dielektriku nebo polovodiči, migrující krystalem a nesouvisející s přenosem elektrického náboje a hmoty.

Přestože se exciton skládá z elektronu a díry, měl by být považován za nezávislou elementární (neredukovatelnou) částici v případech, kdy interakční energie elektronu a díry je stejného řádu jako energie jejich pohybu a energie interakce mezi dvěma excitony je malá ve srovnání s energií každého z nich. Exciton lze považovat za elementární kvazičástici v těch jevech, ve kterých působí jako celistvý útvar, který není vystaven vlivům schopným jej zničit.

Biexciton je vázaný stav dvou excitonů. Ve skutečnosti je to excitonová molekula.

Poprvé byla myšlenka možnosti vytvoření excitonové molekuly a některé její vlastnosti popsány nezávisle S. A. Moskalenkem a M. A. Lampertem.

Vznik biexcitonu se projevuje v optických absorpčních spektrech ve formě diskrétních pásů sbíhajících se směrem ke straně krátké vlnové délky podle zákona podobného vodíku. Z takové struktury spekter vyplývá, že je možný vznik nejen přízemních, ale i excitovaných stavů biexcitonů.

Stabilita biexcitonu by měla záviset na vazebné energii samotného excitonu, poměru efektivních hmotností elektronů a děr a jejich anizotropii.

Energie tvorby biexcitonu je menší než dvojnásobek energie excitonu o hodnotu energie vazby biexcitonu.

Optické vlastnosti nanotrubic

Polovodičové modifikace uhlíkových nanotrubic (rozdíl v indexech chirality není násobkem tří) jsou polovodiče s přímou mezerou. To znamená, že v nich může docházet k přímé rekombinaci párů elektron- díra vedoucí k emisi fotonu . Přímá zakázaná oblast automaticky zahrnuje uhlíkové nanotrubice mezi materiály optoelektroniky .

Polovodičové nanotrubice emitují ve viditelné a infračervené oblasti pod vlivem optického ( fotoluminiscence ) nebo elektrického buzení ( elektroluminiscence ) [23] . Nanotrubice spolu s kvantovými tečkami a fluorescenčními molekulami mohou být zdrojem jednotlivých fotonů, což bylo prokázáno jak za kryogenních podmínek [24] , tak za pokojové teploty u funkcionalizovaných nanotrubic [25] . To nám umožňuje považovat nanotrubice za potenciální zdroj záření [26] pro kvantové výpočty .

Vlastnosti memristoru nanotrubic

V roce 2009 Yao, Zhang et al [27] demonstrovali memristor založený na jednostěnných horizontálně orientovaných uhlíkových nanotrubičkách umístěných na dielektrickém substrátu. Projev memristorového efektu v prezentované struktuře byl způsoben interakcí CNT s dielektrickým substrátem a záchytem nosičů náboje na rozhraní CNT/SiO2.

V roce 2011 Vasu, Sampath a další [28] objevili memristorový efekt na řadu špatně orientovaných MWCNT. Bylo zjištěno, že odporové spínání v poli je způsobeno tvorbou vodivých kanálů z CNT orientovaných elektrickým polem.

V roce 2013 Ageev , Blinov a kol . Později, v roce 2015, stejná skupina vědců ukázala možnost odporového přepínání v jednotlivých vertikálně uspořádaných CNT. Objevený memristorový efekt byl založen na objevení se vnitřního elektrického pole v CNT během jeho deformacea [30] .

Vlastnosti interkalovaných nanotrubic

Možné aplikace nanotrubic

• Mechanické aplikace: vysoce namáhaná vlákna, kompozitní materiály , nanováhy.
• Aplikace v mikroelektronice: tranzistory , nanodráty, nanoantény [31] , průhledné vodivé povrchy, palivové články .
• Vytvořit spojení mezi biologickými neurony a elektronickými zařízeními v nejnovějším vývoji mozku a počítačů .
• Kapilární aplikace: kapsle pro aktivní molekuly, skladování kovů a plynů, nanopipety.
• Optické aplikace: displeje , LED diody .
• Medicína (v aktivním vývoji).
• Jednostěnné nanotrubice (individuální, v malých sestavách nebo v sítích) jsou miniaturní senzory pro detekci molekul v plynném prostředí nebo v roztocích s ultravysokou citlivostí - při adsorbování molekul na povrchu nanotrubice se zjišťuje i její elektrický odpor . protože vlastnosti nanotranzistoru se mohou měnit. Takové nanosenzory lze použít pro monitorování životního prostředí, vojenské, lékařské a biotechnologické aplikace.
• Space Elevator Tether : Nanotrubice mohou teoreticky držet obrovskou váhu – až tunu na čtvereční milimetr. Dostatečně dlouhé uhlíkové trubičky s tloušťkou stěny jednoho atomu se však zatím nepodařilo získat [32] , kvůli čemuž je nutné používat nitě utkané z relativně krátkých nanotrubiček, což snižuje výslednou pevnost.
• Listy uhlíkových nanotrubic lze použít jako ploché průhledné reproduktory , dospěli k tomuto závěru čínští vědci [33]
• umělé svaly. Vstřikováním parafínu do zkrouceného vlákna nanotrubiček se mezinárodnímu týmu vědců z Texaské univerzity podařilo vytvořit umělý sval, který je 85krát silnější než člověk [34]
• Elektrocentrály a motory. Závity z parafínových a uhlíkových trubic mohou absorbovat tepelnou a světelnou energii a přeměnit ji na mechanickou energii. Zkušenosti ukázaly, že tyto příze vydrží více než milion cyklů kroucení/odvíjení při 12 500 otáčkách za minutu nebo 1200 cyklů stlačení/natažení za minutu bez viditelných známek opotřebení. [35] Taková vlákna lze použít k výrobě energie ze slunečního světla.
• Aktuální zdroje. Použití jednostěnných uhlíkových nanotrubiček jako vodivé přísady v lithium-iontových bateriích umožňuje zvýšit procento aktivního materiálu v elektrodovém složení, což znamená zvýšit energetickou náročnost zdroje proudu. Podle studií lze pomocí nanotrubic TUBALL vyráběných OCSiAl v 10 Ah prizmatických bateriích dosáhnout zvýšení objemové spotřeby energie o 10 % [36] [37] . Na druhé straně přidání 0,001–0,01 % těchto jednostěnných nanotrubiček do elektrodové pasty olověných baterií může čtyřnásobně prodloužit životnost baterie a také pozitivně ovlivnit její další vlastnosti [38] .
• Jednostěnné uhlíkové nanotrubice jsou univerzální vodivé aditivum. Nízké koncentrace v celkové hmotě materiálu – od 0,01 % – propůjčují elektrickou vodivost a zlepšují fyzikální a mechanické vlastnosti plastů, elastomerů, kompozitů a povlaků, aniž by nepříznivě ovlivnily barvu, reologické a další vlastnosti [39] .
• Zajištění elektrické vodivosti polymerů. Uhlíkové nanotrubice zaváděné v mikroskopických množstvích do polymerů umožňují snížit jejich elektrický odpor desetitisíckrát - od rozsahu hodnot "stovky megaohmů - jeden gigaohm" až po relativně malé hodnoty "jeden - desítky kiloohmů" ". Tato vlastnost se využívá k zabránění akumulace nábojů statické elektřiny na polymerních materiálech.

Získávání uhlíkových nanotrubic

Vývoj metod syntézy uhlíkových nanotrubic (CNT) se ubíral cestou snižování syntézních teplot. Po vytvoření technologie výroby fullerenů bylo zjištěno, že při odpařování grafitových elektrod elektrickým obloukem spolu se vznikem fullerenů vznikají rozšířené válcové struktury [40] . Mikroskop Sumio Iijima pomocí transmisního elektronového mikroskopu (TEM) jako první identifikoval tyto struktury jako nanotrubice. Vysokoteplotní metody výroby CNT zahrnují metodu elektrického oblouku. Pokud se v elektrickém oblouku odpaří grafitová tyčinka ( anoda ), vytvoří se na protilehlé elektrodě ( katodě ) tvrdý uhlíkový nános (usazenina), v jejímž měkkém jádru jsou vícestěnné CNT o průměru 15- 20 nm a délce více než 1 mikron.

Vznik CNT z fullerenových sazí při vysokoteplotním tepelném působení na saze poprvé pozorovaly skupiny Oxford [41] a Swiss [42] . Zařízení pro syntézu elektrickým obloukem je náročné na kovy, energeticky náročné, ale univerzální pro získávání různých typů uhlíkových nanomateriálů. Významným problémem je nerovnováha procesu při hoření oblouku. Metoda elektrického oblouku kdysi nahradila metodu laserového vypařování ( laserovou ablaci ). Ablační jednotka je konvenční odporová topná pec s teplotou 1200°C. Pro získání vyšších teplot v něm stačí umístit uhlíkový terč do pece a nasměrovat na něj laserový paprsek, střídavě skenující celý povrch terče. Smalleyho skupina tak pomocí drahých instalací s krátkopulzním laserem získala v roce 1995 nanotrubice, které „výrazně zjednodušily“ technologii jejich syntézy [43] .

Výnos CNT však zůstal nízký. Zavedení malých příměsí niklu a kobaltu (0,5 atm. %) do grafitu umožnilo zvýšit výtěžnost CNT na 70–90 % [44] . Od tohoto okamžiku začala nová etapa v konceptu mechanismu tvorby nanotrubiček. Ukázalo se, že kov je katalyzátorem růstu . Objevily se tak první práce na výrobě nanotrubiček nízkoteplotní metodou - metodou katalytické pyrolýzy uhlovodíků ( CVD ), kde byly jako katalyzátor použity částice kovu ze skupiny železa . Jednou z možností instalace výroby nanotrubic a nanovláken metodou CVD je reaktor, do kterého je přiváděn inertní nosný plyn, který unáší katalyzátor a uhlovodík do vysokoteplotní zóny.

Zjednodušeně, mechanismus růstu CNT je následující. Uhlík vzniklý při tepelném rozkladu uhlovodíku se rozpouští v kovové nanočástici. Při dosažení vysoké koncentrace uhlíku v částici dochází na jedné z ploch částice katalyzátoru k energeticky příznivému „uvolnění“ přebytečného uhlíku ve formě deformovaného semifullerenového uzávěru. Tak se rodí nanotrubice. Rozložený uhlík dále vstupuje do částice katalyzátoru a aby se přebytek jeho koncentrace uvolnil v tavenině, musí být neustále likvidován. Stoupající polokoule (semifulleren) z povrchu taveniny s sebou nese rozpuštěný přebytečný uhlík, jehož atomy mimo taveninu tvoří vazbu C-C, což je válcová kostra-nanotrubice.

Teplota tání částice v nanorozměru závisí na jejím poloměru. Čím menší je poloměr, tím nižší je teplota tání v důsledku Gibbs-Thompsonova jevu [45] . Proto jsou nanočástice železa o velikosti asi 10 nm v roztaveném stavu pod 600 °C. V současné době probíhá nízkoteplotní syntéza CNT katalytickou pyrolýzou acetylenu za přítomnosti Fe částic při 550 °C. Snížení teploty syntézy má také negativní důsledky. Při nižších teplotách se získávají CNT s velkým průměrem (asi 100 nm) a silně defektní strukturou, jako je „bambus“ nebo „vnořené nanokužele“. Výsledné materiály se skládají pouze z uhlíku, ale ani zdaleka se neblíží mimořádným charakteristikám (např. Youngův modul ) pozorovaným u jednostěnných uhlíkových nanotrubic získaných laserovou ablací nebo syntézou elektrického oblouku.

CVD je lépe ovladatelná metoda, která umožňuje řídit umístění růstu a geometrické parametry uhlíkových trubic [46] ] na jakémkoli typu substrátu. Aby se získalo pole CNT na povrchu substrátu, částice katalyzátoru se nejprve vytvoří na povrchu kondenzací extrémně malého množství. Tvorba katalyzátoru je možná pomocí chemické depozice z roztoku obsahujícího katalyzátor, tepelného odpařování, naprašování iontovým paprskem nebo magnetronového naprašování. Nevýznamné změny v množství kondenzované hmoty na jednotku povrchu způsobují významnou změnu velikosti a počtu katalytických nanočástic, a proto vedou k tvorbě CNT, které se liší průměrem a výškou v různých oblastech substrátu. Řízený růst CNT je možný, pokud je jako katalyzátor použita slitina Ct-Me-N, kde Ct (katalyzátor) je vybrán ze skupiny Ni, Co, Fe, Pd; Me (pojivový kov) - vybraný ze skupiny Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re; N (dusík). Atraktivita tohoto procesu růstu CNT na filmech slitin katalytického kovu s kovy skupin V–VII Periodické tabulky prvků spočívá v širokém spektru faktorů pro řízení procesu, což umožňuje řídit parametry Pole CNT, jako je výška, hustota a průměr. Při použití slitinových filmů je možný růst CNT na tenkých filmech různé tloušťky a vodivosti. To vše umožňuje integrovat tento proces do integrovaných technologií [47] .

Vlákna z uhlíkových trubek

Pro praktickou aplikaci CNT se v současné době hledá způsob, jak na jejich základě vytvořit prodloužená vlákna, která lze zase vetkat do lanka. Již bylo možné vytvořit prodloužená vlákna z uhlíkových nanotrubic, které mají vysokou elektrickou vodivost a pevnost převyšují ocel [48] .

Toxicita nanotrubiček

Experimentální výsledky z posledních let ukázaly, že dlouhé vícestěnné uhlíkové nanotrubice (MWNT) mohou vyvolat odezvu podobnou reakci azbestových vláken. Lidé zaměstnaní při těžbě a zpracování azbestu mají několikanásobně vyšší pravděpodobnost vzniku nádorů a rakoviny plic než běžná populace. Karcinogenita vláken různých typů azbestu je velmi rozdílná a závisí na průměru a typu vláken. Díky své nízké hmotnosti a velikosti pronikají uhlíkové nanotrubice dýchacími cestami spolu se vzduchem. V důsledku toho se koncentrují v pohrudnici. Malé částice a krátké nanotrubičky vystupují póry v hrudní stěně (3–8 µm v průměru), zatímco dlouhé nanotrubičky mohou být zadrženy a způsobit patologické změny v průběhu času.

Srovnávací experimenty s přidáním jednostěnných uhlíkových nanotrubiček (SWCNT) do myšího krmiva neukázaly žádnou jejich výraznou reakci v případě nanotrubiček o délce řádově mikronů. Zároveň experiment s přidáváním vícestěnných uhlíkových nanotrubiček do potravy myší ukázal, že v tomto případě dochází k výrazným změnám jemné struktury klků tenkého střeva v podobě zvýšení počtu zničených klků a proliferace epiteliocytů [49] .

Evropští odborníci provedli v roce 2016 sérii studií o povaze a vlastnostech jednostěnných uhlíkových nanotrubic a vypracovali doporučení konkrétních metod pro práci s nimi. Výsledkem je, že nanotrubičky TUBALL vyráběné společností OCSiAl v Novosibirsku se staly prvními SWCNT registrovanými v souladu s nařízením Evropské unie REACH a umožnily výrobu a použití v Evropě v průmyslovém měřítku - až 10 tun ročně [50] .

Čištění katalyzátorů

Kovové katalyzátory v nanoměřítku jsou důležitou součástí mnoha účinných metod syntézy CNT, a zejména procesů CVD . Umožňují také do určité míry řídit strukturu a chiralitu výsledných CNT. [51] Během syntézy mohou katalyzátory přeměnit uhlíkaté sloučeniny na trubkový uhlík, přičemž se samy obvykle částečně zapouzdří grafitizovanými vrstvami uhlíku. Mohou se tak stát součástí výsledného produktu CNT. [52] Takové kovové nečistoty mohou být problematické pro mnoho aplikací CNT. Katalyzátory jako nikl , kobalt nebo yttrium mohou způsobit například toxikologické problémy. [53] Zatímco nezapouzdřené katalyzátory lze poměrně snadno vymýt minerálními kyselinami , zapouzdřené katalyzátory vyžadují oxidační předúpravu, aby se otevřel obal katalyzátoru. [54] Efektivní odstranění katalyzátorů, zejména zapouzdřených, při zachování struktury CNT je složitý a časově náročný postup. Mnoho možností čištění CNT již bylo prozkoumáno a individuálně optimalizováno pro kvalitu používaných CNT. [55] [56] Novým přístupem k čištění CNT, který umožňuje současné otevírání a odpařování zapouzdřených kovových katalyzátorů, je extrémně rychlé zahřívání CNT a jejich nečistot v tepelném plazmatu. [57]

Poznámky

1. ↑ Laboratoř roste světově rekordní délku uhlíkové nanotrubice
2. ↑ 1 2 nanotrubice, uhlík . tezaurus.rusnano.com. Datum přístupu: 14. listopadu 2017. (neurčitý)
3. ↑ Spřádání nanotrubiček na Rice University - YouTube . Staženo: 27. ledna 2013. (neurčitý)
4. ↑ Iijima, S. a Ichihashi, T. (1993) Single-Shell Carbon Nanotubes of 1-nm Diameter. Příroda, 363, 603-605. http://dx.doi.org/10.1038/363603a0
5. ↑ Noriaki Hamada, Shin-ichi Sawada, Atsushi Oshiyama. Nové jednorozměrné vodiče: Grafitické mikrotubuly  // Physical Review Letters. - 1992-03-09. - T. 68 , č.p. 10 . - S. 1579-1581 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.68.1579 .
6. ↑ Uhlíkové nanotrubice, A. V. Eletsky, UFN, září 1997, v. 167, č. 9, čl. 955
7. ↑ Alexander Grek Oheň, voda a nanotrubice // Populární mechanika . - 2017. - č. 1. - S. 39-47.
8. ↑ Nízkonákladová škálovatelná výroba a aplikace jednostěnných uhlíkových nanotrubic "SF Bay Area Nanotechnology Council  " . sites.ieee.org. Datum přístupu: 21. září 2017.
9. ↑ OCSiAl . ocsial.com. Datum přístupu: 21. září 2017. (Ruština)
10. ↑ 1 2 Uhlíkové nanotrubice a jejich emisní vlastnosti, A. V. Yeletsky, UFN, duben 2002, vol. 172, č. 4, čl. 408
11. ↑ HW Kroto, JRHeath, SC O'Brien, RF Curl, RE Smalley, C60: Buckminsterfullerene, Nature 318 162 (1985)
12. ↑ S. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature 354 56 (1991)
13. ↑ A. Oberlin, M. Endo a T. Koyama. Pozorování grafitizovaných uhlíkových vláken pomocí elektronového mikroskopu s vysokým rozlišením Carbon, 14, 133 (1976)
14. ↑ Buyanov R. A., Chesnokov V. V., Afanasiev A. D., Babenko V. S. Karbidový mechanismus tvorby uhlíkových usazenin a jejich vlastnosti na železo-chromových dehydrogenačních katalyzátorech // Kinetics and catalysis 1977. Vol. 18. S. 1021 .
15. ↑ JAE Gibson. rané nanotrubice? Nature 359, 369 (1992)
16. ↑ L. V. Raduškevič a V. M. Lukjanovič. Na struktuře uhlíku vzniklého při tepelném rozkladu oxidu uhelnatého na železném kontaktu. ZhFKh, 26, 88 (1952)
17. ↑ Uhlíkové nanotrubice z damaškové oceli
18. ↑ D.E.H. Jones (Daedalus). New Scientist 110 80 (1986)
19. ↑ Z. Ya. Kosakovskaya, L. A. Chernozatonsky, E. A. Fedorov. Nanovlákenná uhlíková struktura. JETP Lett. 56 26 (1992)
20. ↑ M. Yu Kornilov. Potřebujete trubkový uhlík. Chemie a život 8 (1985)
21. ↑ Chernozatonsky L. A. Sorokin P. B. Uhlíkové nanotrubice: od základního výzkumu k nanotechnologii / Pod. vyd. Yu.N. Bubnov. - M .: Nauka, 2007. - S. 154-174. - ISBN 978-5-02-035594-1 .
22. ↑ Věda (Frank et al., Science, sv. 280, s. 1744); 1998
23. ↑ Vasili Perebeinos, Marcus Freitag, Phaedon Avouris. Fotonika a optoelektronika uhlíkových nanotrubic  (anglicky)  // Nature Photonics. — 2008-06. — Sv. 2 , iss. 6 . - S. 341-350 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2008.94 .
24. ↑ Alexander Högele, Christophe Galland, Martin Winger, Atac Imamoğlu. Fotonové shlukování ve fotoluminiscenčním spektru jednouhlíkové nanotrubice  // Physical Review Letters. - 27.05.2008. - T. 100 , č.p. 21 . - S. 217401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.217401 .
25. ↑ Stephen K. Doorn, Han Htoon, Hiromichi Kataura, Takeshi Tanaka, Atsushi Hirano. Laditelná emise jednoho fotonu při pokojové teplotě na telekomunikačních vlnových délkách z defektů sp3 v uhlíkových nanotrubičkách  //  Nature Photonics. — 2017-09. — Sv. 11 , iss. 9 . - str. 577-582 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2017.119 .
26. ↑ Wolfram HP Pernice, Ralph Krupke, Carsten Rockstuhl, A. Korneev, G. Gol'tsman. Plně integrovaný kvantový fotonický obvod s elektricky poháněným světelným zdrojem  //  Nature Photonics. — 2016-11. — Sv. 10 , iss. 11 . - str. 727-732 . — ISSN 1749-4893 . - doi : 10.1038/nphoton.2016.178 .
27. ↑ Yao, Jun; Jin, Zhong; Zhong, Lin; Natelson, Douglas; Tour, James M. Nevolatilní paměti se dvěma terminály založené na jednostěnných uhlíkových nanotrubičkách   // ACS Nano : deník. - 2009. - 22. prosince ( roč. 3 , č. 12 ). - str. 4122-4126 . doi : 10.1021 / nn901263e .
28. ↑ Vasu, K.S.; Sampath, S.; Sood, AK Netěkavé unipolární odporové přepínání v ultratenkých vrstvách grafenových a uhlíkových nanotrubic   // Solid State Communications : deník. - 2011. - Srpen ( roč. 151 , č. 16 ). - S. 1084-1087 . - doi : 10.1016/j.ssc.2011.05.018 .
29. ↑ Ageev, OA; Blinov, Yu F.; Il'in, OI; Kolomicev, AS; Konoplev, BG; Rubashkina, M. V.; Smirnov, V. A.; Fedotov, AA Memristorov efekt na svazky vertikálně uspořádaných uhlíkových nanotrubic testovaný skenovací tunelovou mikroskopií  //  Technical Physics: journal. - 2013. - 11. prosince ( roč. 58 , č. 12 ). - S. 1831-1836 . - ISSN 1063-7842 . - doi : 10.1134/S1063784213120025 .
30. ↑ Ageev, OA; Blinov, Yu F.; Il'in, OI; Konoplev, BG; Rubashkina, M. V.; Smirnov, V. A.; Fedotov, AA Studium odporového přepínání vertikálně uspořádaných uhlíkových nanotrubic pomocí skenovací tunelové mikroskopie   // Fyzika pevného skupenství : deník. - 2015. - 16. dubna ( roč. 57 , č. 4 ). — S. 825-831 . — ISSN 1063-7834 . - doi : 10.1134/S1063783415040034 .
31. ↑ Slyusar, V.I. Nanoantény: přístupy a vyhlídky. - C. 58 - 65. . Elektronika: věda, technika, obchod. - 2009. - č. 2. C. 58 - 65 (2009). (neurčitý)
32. ↑ Zprávy @ Mail.Ru: Číňané obešli všechny – 18,5 centimetru na délku
33. ↑ Nano Letters: Flexibilní, roztažitelné, průhledné tenkovrstvé reproduktory z uhlíkových nanotrubic Archivováno 1. listopadu 2008 ve Wayback Machine (29. října 2008)
34. ↑ iScience.ru - Budoucnost je již tady, v naší novinceVytvořené umělé svaly z uhlíku a parafínu | iScience.ru — Budoucnost je již zde, v našich zprávách. Vědecké novinky
35. ↑ Elektricky, chemicky a fotonicky poháněné torzní a tahové působení svalů hybridní uhlíkové nanotrubice: http://www.sciencemag.org/content/338/6109/928 Science 16. listopadu 2012: Vol. 338 č.p. 6109 pp. 928-932 DOI: 10.1126/science.1226762
36. ↑ 360° koncept. Krok vpřed ve vývoji hustoty energie baterií | Konstantin Tichonov, OCSiAl |  ees International . www.ees-magazine.com. Datum přístupu: 21. září 2017.
37. ↑ SWCNT vs MWCNT a nanovlákna. Aplikace v lithium-iontových bateriích a průhledných vodivých fóliích (k dispozici ke stažení PDF  ) . výzkumná brána. Datum přístupu: 21. září 2017.
38. ↑ Uhlíkové nanotrubice vytvářejí " velkolepé " vylepšení olověných baterií  , Batteries International . Staženo 21. září 2017.
39. ↑ Obrovská budoucnost pro malé trubičky  (anglicky)  (downlink) . www.specchemonline.com. Získáno 21. září 2017. Archivováno z originálu 30. března 2017.
40. ↑ Iijima S, Příroda (Londýn) 354 56 (1991).
41. ↑ Peter JF Harris vůbec. "Studie elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením mikroporézního uhlíku vyrobeného obloukovým odpařováním" // J. CHEM. SOC. FARADAY TRANS., 90(18), str. 2799-2802, (1994).
42. ↑ W.A. de Heer a D. Ugarte. "Uhlíkové cibule vyrobené tepelným zpracováním uhlíkových sazí a jejich vztah k 217,5 nm mezihvězdné absorpční vlastnosti" // Chem. Phys. Lett. 207, (1993) 480-486.
43. ↑ Guo T, Nikolaev P, Rinzler D, Tomanek DT, Colbert DT, Smalley R. "Self-Assembly of Tubular Fullerenes" // J. Phys. Chem. 99:10694-7 (1995).
44. ↑ V. Ivanov vůbec. „Katalytická výroba a čištění nanotubulů s průměry fullerenového měřítka“. Carbon 33, 12, (1995) 1727-1738.
45. ↑ P.R. Couchman a W.A. Jesser. "Termodynamická teorie závislosti velikosti teploty tání v kovech". Nature 269, (1977) 481-483.
46. ↑ Xu, F., Zhao, H., Tse, SD Syntéza uhlíkových nanotrubic na katalytických kovových slitinách v metanových/vzduchových protiproudých difúzních plamenech  //  Proceedings of the Combustion Institute : článek. - 2007. - Sv. 31 . - S. 1839-1847 .
47. ↑ Pawel Mierczynski, Sergej V. Dubkov, Sergej V. Bulyarskij, Alexander A. Pavlov, Sergej N. Skorik. Růst soustav uhlíkových nanotrubiček na různých filmech ze slitiny CtxMey metodou chemické depozice z plynné fáze  // Journal of Materials Science & Technology. - doi : 10.1016/j.jmst.2017.01.030 .
48. ↑ Uhlíkové nanotrubičky spletené do elektricky vodivého vlákna
49. ↑ Hodnocení vlivu vícevrstvých uhlíkových nanotrubic na morfofunkční buněčný stav tenkého střeva myší . cyberleninka.ru. Datum přístupu: 21. září 2017. (neurčitý)
50. ↑ Registrace REACH dokončena pro jednostěnné uhlíkové nanotrubice  // časopis PCI. - 2016. - 16. října. Archivováno z originálu 24. listopadu 2016.
51. ↑ Yamada T., Namai T., Hata K., Futaba D.N., Mizuno K., Fan J., et al. Velikostně selektivní růst lesů s dvoustěnnými uhlíkovými nanotrubkami z umělých železných katalyzátorů  // Nature Nanotechnology  : časopis  . - 2006. - Sv. 1 . - str. 131-136 . - doi : 10.1038/nnano.2006.95 .
52. ↑ MacKenzie KJ, Dunens OM, Harris AT Aktualizovaný přehled parametrů syntézy a růstových mechanismů pro uhlíkové nanotrubice ve fluidních ložích  //  Industrial & Engineering Chemical Research : journal. - 2010. - Sv. 49 . - S. 5323-5338 . - doi : 10.1021/ie9019787 .
53. ↑ Jakubek LM, Marangoudakis S., Raingo J., Liu X., Lipscombe D., Hurt RH Inhibice neuronálních vápníkových iontových kanálů stopovými hladinami yttria uvolněného z uhlíkových nanotrubic  //  Biomaterials : journal. - 2009. - Sv. 30 . - S. 6351-6357 . - doi : 10.1016/j.biomaterials.2009.08.009 .
54. ↑ Hou PX, Liu C., Cheng HM. Čištění uhlíkových nanotrubic  //  Uhlík. — Elsevier , 2008. — Sv. 46 . - str. 2003-2025 . - doi : 10.1016/j.carbon.2008.09.009 .
55. ↑ Ebbesen TW, Ajayan PM, Hiura H., Tanigaki K. Purification of nanotubes   // Nature . - 1994. - Sv. 367 . — S. 519 . - doi : 10.1038/367519a0 .
56. ↑ Xu YQ, Peng H., Hauge RH, Smalley RE Řízené vícestupňové čištění jednostěnných uhlíkových nanotrubic  //  Nano Letters : deník. - 2005. - Sv. 5 . - S. 163-168 . - doi : 10.1021/nl048300s .
57. ↑ Meyer-Plath A., Orts-Gil G., Petrov S a kol. Plazmovo-tepelné čištění a žíhání uhlíkových  nanotrubic //  Uhlík : deník. — Elsevier , 2012. — Sv. 50 . - str. 3934-3942 . - doi : 10.1016/j.carbon.2012.04.049 .

Viz také

• izomerie
• nanomotor
• Grafen
• Fullereny
• Aerografit
• Vantablack

Literatura

• Lozovik Yu.E., Popov A.M. Vznik a růst uhlíkových nanostruktur - fullereny, nanočástice, nanotrubice a kužely  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - Ruská akademie věd , 1997. - T. 167 , č. 7 . - S. 751-774 . (Ruština)
• Lozovik Yu.E., Popov A.M. Vlastnosti a nanotechnologické aplikace nanotrubic  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Ruská akademie věd , 2007. - T. 177 . - S. 786-799 . (Ruština)
• Djačkov P.N. Uhlíkové nanotrubice: struktura, vlastnosti, aplikace. — M .: Binom, 2006. — 293 s.
• Slyusar, V.I. Nanoantény: přístupy a vyhlídky. - C. 58 - 65. . Elektronika: věda, technika, obchod. - 2009. - č. 2. C. 58 - 65 (2009). (neurčitý)

Odkazy

• Článek Igora Ivanova na stránkách "Fyzické laboratoře školáků"
• Web o nanotrubičkách od Fjodora Senatova
• Článek v novinách "1. září"
• Marketingový průzkum trhu uhlíkových nanotrubic
• Kompozitní materiály s polymerní matricí a modifikátory obsahujícími fulleren
• http://www.gazeta.ru/science/2009/10/26_a_3276968.shtml
• http://perst.isssph.kiae.ru/Inform/perst/9_23/n.asp?file=perst.htm&label=K_9_23_11  (nedostupný odkaz)
• AFM snímek uhlíkových nanotrubic

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština velká čínština Britannica (online) Britannica (online) Universalis
V bibliografických katalozích	GND : 4581365-6 J9U : 987007572833305171 LCCN : sh2013002061 NDL : 00722909