หน้านาโนคาร์บอน

Original web-page: http://www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm

วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนาโนคาร์บอน

ท่อนาโนคาร์บอนเป็นหลอดคาร์บอนกราไฟท์ที่มีคุณสมบัติโดดเด่น พวกเขาเป็นหนึ่งในเส้นใยแข็งและแข็งแกร่งที่สุดที่รู้จักและมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่น่าทึ่งและหลายลักษณะที่เป็นเอกลักษณ์อื่น ๆ ด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงได้รับความสนใจจากนักวิชาการและอุตสาหกรรมเป็นอย่างมากโดยมีเอกสารหลายพันฉบับที่เผยแพร่บนท่อนาโนที่มีการเผยแพร่ทุกปี การใช้งานเชิงพาณิชย์มีการพัฒนาค่อนข้างช้า แต่ส่วนใหญ่เป็นเพราะต้นทุนการผลิตสูงของท่อนาโนที่มีคุณภาพดีที่สุด

ประวัติศาสตร์

ที่น่าสนใจมากในปัจจุบันในท่อนาโนคาร์บอนเป็นผลโดยตรงจากการสังเคราะห์ของ ซี₆₀ และฟูลเลอรีอื่น ๆ ในปี 1985 การค้นพบว่าคาร์บอนสามารถสร้างเสถียรภาพสั่งโครงสร้างอื่น ๆ กว่าแกรไฟต์และเพชรกระตุ้นนักวิจัยทั่วโลกเพื่อค้นหาใหม่อื่น ๆ รูปแบบของคาร์บอน การค้นหาที่ได้รับแรงผลักดันใหม่เมื่อมันถูกนำมาแสดงในปี 1990 ที่ C₆₀ สามารถผลิตได้ในอุปกรณ์โค้งระเหยง่ายพร้อมให้บริการในห้องปฏิบัติการทั้งหมด มันถูกใช้เช่นระเหยที่นักวิทยาศาสตร์ญี่ปุ่น เกี่ยวกับฉัน มันทำงาน ค้นพบ โครงสร้างพื้นผิวคาร์บอนที่ปิดสนิททางเคมี ที่เกี่ยวข้องกับท่อนาโนคาร์บอนในปี 1991 หลอดที่มีอยู่อย่างน้อยสองชั้นมักอื่น ๆ อีกมากมายและอยู่ในช่วงเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกจากประมาณ 3 นาโนเมตรถึง 30 นาโนเมตร พวกเขาถูกปิดอย่างสม่ำเสมอที่ปลายทั้งสอง

การถ่ายโอนอิเล็กตรอน กราฟขนาดเล็ก ของท่อนาโนที่มีหลายชั้นจะแสดงในรูป (ซ้าย) ในปี พ.ศ. 2536 ได้มีการค้นพบท่อนาโนคาร์บอนแบบใหม่ซึ่งมีเพียงชั้นเดียว ท่อนาโนที่มีผนังเดี่ยวเหล่านี้มักแคบกว่าท่อที่มีหลายชั้นโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยอยู่ที่ 1-2 นาโนเมตรและมีแนวโน้มที่จะโค้งมากกว่าตรง ภาพด้านขวาแสดงให้เห็นหลอดไฟผนังเดียวบางชนิดโดยปกติแล้วเส้นใยชนิดใหม่เหล่านี้มีคุณสมบัติพิเศษมากมาย (ดูด้านล่าง) และนี่เป็นจุดเริ่มต้นของการวิจัยเกี่ยวกับท่อนาโนคาร์บอน อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญที่ต้องสังเกตคือหลอดคาร์บอนที่เป็น ระดับนาโน ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้รับการรู้จักมานานหลายปีก่อนการค้นพบของ มันทำงาน เหตุผลหลักที่ว่าทำไมท่อต้นแบบเหล่านี้ไม่ได้กระตุ้นให้เกิดความสนใจในวงกว้างนั่นคือโครงสร้างเหล่านี้ค่อนข้างไม่สมบูรณ์ดังนั้นจึงไม่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจโดยเฉพาะ การวิจัยเมื่อเร็ว ๆ นี้ได้มุ่งเน้นที่การปรับปรุงคุณภาพของท่อนาโนทัชที่ผลิตด้วยกระบวนการทางเคมี

โครงสร้าง

การเชื่อมต่อในท่อนาโนคาร์บอนคือsp² โดยแต่ละอะตอมจะรวมเข้ากับเพื่อนบ้านสามคนเช่นในแกรไฟต์ หลอดสามารถถือเป็นแผ่น กราฟีน รีด (กราฟีน เป็นชั้นแกรไฟต์แต่ละตัว) มีสามวิธีที่ทำให้แผ่น กราฟีน สามารถรีดเข้าหลอดได้ดังภาพต่อไปนี้

สองคนแรกที่รู้จักกันในชื่อ “เก้าอี้” (ซ้ายบน) และ “คดเคี้ยวไปมา” (กลางซ้าย) มีความสมมาตรสูง คำว่า “เก้าอี้นวม” และ “คดเคี้ยวไปมา” หมายถึงการจัดรูปหกเหลี่ยมรอบ ๆ เส้นรอบวง ชั้นที่สามของหลอดซึ่งในทางปฏิบัติเป็นที่รู้จักกันทั่วไปเรียกว่า chiral ซึ่งหมายความว่ามันสามารถมีอยู่ได้ในรูปแบบที่เกี่ยวข้องกับกระจกสองแบบ ตัวอย่างของท่อนาโนของ chiral แสดงที่ด้านล่างซ้าย

โครงสร้างของท่อนาโนสามารถ จะระบุด้วยเวกเตอร์ (n,m) ซึ่งกำหนดว่าแผ่น กราฟีน ถูกม้วนขึ้น นี้สามารถเข้าใจได้โดยการอ้างอิงถึงรูปด้านขวา ในการผลิตท่อนาโนที่มีดัชนี (6,3) กล่าวว่ากระดาษแผ่นนี้ม้วนขึ้นเพื่อให้อะตอมที่มีข้อความ (0,0) ถูกซ้อนทับบนฉลาก (6,3) จะเห็นได้จากรูปที่ m = 0 สำหรับหลอด คดเคี้ยวไปมา ทั้งหมดขณะที่ n = m สำหรับหลอด เก้าอี้นวม ทั้งหมด

สังเคราะห์

วิธีการระเหยแบบรังสีซึ่งก่อให้เกิดท่อนาโนที่มีคุณภาพดีที่สุดต้องผ่านกระแสประมาณ 50 แอมป์ระหว่างขั้วไฟฟ้ากราไฟท์สองชั้นในบรรยากาศฮีเลียม ซึ่งทำให้แกรไฟต์ระเหยบางส่วนของมันควบแน่นบนผนังของเรือปฏิกิริยาและบางส่วนของมันบนขั้วลบ มันเป็นเงินฝากที่แคโทดที่มีท่อนาโนคาร์บอน ท่อนาโนที่มีผนังด้านเดียวมีการผลิตเมื่อ Co และ Ni หรือโลหะอื่น ๆ บางส่วนถูกเพิ่มเข้ากับขั้วบวก เป็นที่ทราบกันดีว่าตั้งแต่ปีพศ. ศ. 1950 เป็นต้นไปก็มีการสร้างท่อนาโนคาร์บอนด้วยการส่งก๊าซที่มีคาร์บอนเช่นไฮโดรคาร์บอนมากกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาประกอบด้วยอนุภาคขนาดนาโนของโลหะโดยทั่วไปคือ Fe, Co หรือ Ni อนุภาคเหล่านี้กระตุ้นการสลายตัวของโมเลกุลของก๊าซลงในคาร์บอนและหลอดจะเริ่มเจริญเติบโตขึ้นด้วยอนุภาคโลหะที่ปลาย ปรากฏว่าในปี 2539 พบว่าท่อนาโนผนังด้านเดียวสามารถผลิตได้ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา ความสมบูรณ์แบบของท่อนาโนคาร์บอนที่เกิดขึ้นในลักษณะนี้โดยทั่วไปมักจะมีความด้อยกว่าที่เกิดจากการระเหยของส่วนโค้ง แต่การปรับปรุงเทคนิคในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ข้อได้เปรียบที่สำคัญในการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยากับการระเหยของอาร์คคือการสามารถเพิ่มปริมาณการผลิตได้ วิธีการที่สำคัญประการที่สามในการทำให้ท่อนาโนคาร์บอนเกี่ยวข้องกับการใช้เลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพเพื่อทำให้เป้าหมายเป็นโลหะแกรไฟต์ นี้สามารถใช้ในการผลิตหลอดผนังเดียวที่มีผลผลิตสูง

คุณสมบัติ

ความแข็งแรงของsp²คาร์บอน – คาร์บอนพันธบัตรให้ ท่อนาโน คาร์บอนสมบัติเชิงกลที่น่าตื่นตาตื่นใจ ความแข็งของวัสดุวัดได้จากโมดูลัสของ หนุ่มสาว ซึ่งเป็นอัตราการเปลี่ยนความเค้นและความเค้นที่ใช้ โมดูลัส หนุ่มสาว ของท่อนาโนที่ดีที่สุดสามารถมีน้ำหนักได้ถึง 1000 จีพี ซึ่งสูงกว่าเหล็กประมาณ 5 เท่า ความต้านทานแรงดึงหรือความเค้นของ ท่อนาโน อาจสูงถึง 63 จีพี ซึ่งสูงกว่าเหล็กประมาณ 50 เท่า คุณสมบัติเหล่านี้ควบคู่กับความสว่างของท่อนาโนคาร์บอนทำให้พวกเขามีศักยภาพในการใช้งานเช่นการบินและอวกาศ แม้ว่าจะมีการใช้ท่อนาโนที่ใช้ใน “ลิฟต์อวกาศ” ซึ่งเป็นสายเคเบิลแบบ โลกไปอวกาศ ที่ อาร์เธอร์ ซี คล๊าร์ค เสนอครั้งแรก สมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของท่อนาโนคาร์บอนยังเป็นเรื่องธรรมดา สิ่งที่น่าสนใจโดยเฉพาะคือความจริงที่ว่านาโนโพสสามารถเป็นโลหะหรือเซรามิกได้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของพวกเขา ดังนั้นบาง ท่อนาโน มี conductivities สูงกว่าทองแดงในขณะที่คนอื่นทำตัวเหมือนซิลิกอน มีความสนใจอย่างมากในความเป็นไปได้ในการสร้างอุปกรณ์อิเลคทรอนิคส์ขนาดนาโนจากท่อนาโนและความคืบหน้าบางอย่างกำลังเกิดขึ้นในบริเวณนี้ อย่างไรก็ตามเพื่อที่จะสร้างอุปกรณ์ที่เป็นประโยชน์เราจะต้องจัดให้มีหลายพัน ท่อนาโน ในรูปแบบที่กำหนดไว้และเรายังไม่มีการควบคุมระดับที่จำเป็นเพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ มีหลายพื้นที่ของเทคโนโลยีที่มีการใช้ท่อนาโนคาร์บอนอยู่แล้ว เหล่านี้ประกอบด้วยจอแสดงผลแบบแบน, กล้องจุลทรรศน์ตรวจสอบการสแกนและอุปกรณ์ตรวจจับ คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของท่อนาโนคาร์บอนจะนำไปสู่การใช้งานอีกมากมาย

แตรนาโน

ผนังเดี่ยวกรวยคาร์บอนที่มีรูปร่างลักษณะคล้ายกับหมวกนาโนได้จัดทำขึ้นเป็นครั้งแรกโดยปีเตอร์แฮร์ริส เอ็ดชาย จันค และเพื่อนร่วมงานในปี 1994 (คลิก ที่นี่ เพื่อดูกระดาษของเรา) พวกเขาได้รับการผลิตโดยการรักษาความร้อนที่อุณหภูมิสูงของ โครงสร้างพื้นผิวคาร์บอนที่ปิดสนิททางเคมี เขม่า – คลิก ที่นี่ เพื่อดูภาพทั่วไป กลุ่ม เกี่ยวกับฉัน มันทำงาน ของต่อมาแสดงให้เห็นว่าพวกเขายังสามารถผลิตได้โดยเลเซอร์นูกราไฟท์และให้พวกเขาชื่อ “แตรนาโน” กลุ่มนี้ได้แสดงให้เห็นว่ามีการดูดซับ แตรนาโน ที่โดดเด่นและคุณสมบัติการเร่งปฏิกิริยา