Nanorör vetenskap och teknik

Link: http://www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm

Kolnanorör är molekylär nivå rör av grafitfria kol med enastående egenskaper. De är bland de stiffest och starkaste fibrer känd, och har märkliga elektroniska egenskaper och många andra unika egenskaper. Av dessa skäl har de rönt stort akademiska och industriella intresse, med tusentals papper på nanorör som publiceras varje år. Kommersiella tillämpningar har varit ganska långsamma med att utveckla, men främst på grund av de höga kostnaderna för produktion av bästa kvalitet nanorör.Historia

Den nuvarande stort intresse för kolnanorör är en direkt följd av syntesen av buckminsterfulleren, C60 , och andra så kallade fullerener, 1985. Upptäckten att kol skulle kunna bilda en stabil, ordnade strukturer andra än grafit och diamant stimuleras forskare över hela världen att söka efter andra nya former av kol. Sökningen fick nya impulser när det visades i 1990 att C60 skulle kunna produceras i en enkel arc-förångning apparat som är lätt tillgänglig på alla laboratorier. Det var med en sådan förångaren att den japanske forskaren Sumio Iijima upptäckte fulleren-relaterade kolnanorör 1991. Rören innehöll minst två lager, ofta många fler, och varierade i yttre diameter från ca 3 nm 30 nm. De var alltid stängd i båda ändar.

En överföring elektron mikroskop av vissa multiwalled nanorör är på bilden (till vänster). I 1993, en ny klass av nanorör upptäcktes, med bara ett enda lager. Dessa enkelväggiga nanorör är i allmänhet smalare än multiwalled rör, med en diameter som är normalt i intervallet 1-2 nm, och tenderar att vara böjda snarare än rakt. Bilden till höger visar några typiska enkelväggiga rör Det blev snart etablerad att dessa nya fibrer hade en rad exceptionella egenskaper (se nedan), och detta utlöste en explosion av forskning kring kolnanorör. Det är viktigt att notera, dock, att nanoskala rör av kol, som framställs katalytiskt, hade varit känt i många år innan Iijima upptäckt. Den främsta anledningen till att dessa tidiga rör inte väcka stort intresse är att de var strukturellt ganska ofullkomliga, så har inte särskilt intressanta egenskaper. Senaste forskning har fokuserat på att förbättra kvaliteten av katalytiskt producerade nanorör.

Struktur

Limning i kolnanorör är sp2, med varje atom gick till tre grannar, som i grafit. Rören kan därför betraktas som rullas upp grafen lakan (grafen är ett enskilt lager grafit). Det finns tre olika sätt på vilka grafen kan rullas in i ett rör, som visas i diagrammet nedan.


De två första av dessa, känd som “fåtölj” (överst till vänster) och “zick-zack” (mitten vänster) har en hög grad av symmetri. Termerna “fåtölj” och “sicksack” avser arrangemang av hexagoner runt omkretsen. Den tredje klassen av röret, vilket i praktiken är den vanligaste, är känd som kirala, vilket innebär att det kan existera i två spegel-liknande former. Ett exempel på en kiral nanotube visas längst ned till vänster.

Strukturen av en nanotube kan anges av en vektor (n,m), som definierar hur grafen rullas upp. Detta kan förstås med hänvisning till figuren till höger. För att producera en nanotube med index (6,3), säg, blad kastas upp så att atom-märkta (0,0) är överlagrade på en märkt (6,3). Det framgår av figuren att m = 0 för alla sicksack rör, medan n = m för alla fåtölj rör.

Syntes

Arc-förångning metod som ger bäst kvalitet nanorör, innebär passerar en ström på ca 50 ampere mellan två elektroder av grafit i en atmosfär av helium. Detta gör att grafit att förångas, en del av det kondens på väggarna av reaktionskärlet med och en del av det på katoden. Det är depositionen på katoden som innehåller kolnanorör. Enkelväggiga nanorör produceras när Co och Ni eller någon annan metall läggs till anoden. Det har varit känt sedan 1950-talet, om inte tidigare, att kolnanorör kan även göras genom att skicka ett kol med gas, såsom ett kolväte, över en katalysator. Katalysatorn består av nano-partiklar av metall, vanligtvis Fe, Co eller Ni. Dessa partiklar katalyserar nedbrytningen av gasformiga molekyler till kol, och en tub börjar sedan växa med en metall partikel i spetsen. Det visades 1996 som enkelväggiga nanorör kan också produceras katalytiskt. Perfektion av kolnanorör tillverkas på detta sätt har generellt sett varit sämre än de som gjorts av arc-förångning, men stora förbättringar i teknik har gjort de senaste åren. Den stora fördelen med katalytisk syntes över arc-förångning är att den kan skalas upp för volymproduktion. Den tredje viktigaste metoden för att tillverka kolnanorör innebär att man använder en kraftfull laser för att förångas en metall-grafit mål. Detta kan användas för att producera enkelväggiga rör med hög avkastning.

Egenskaper

Styrkan i sp2 kol-kolbindningar ger kolnanorör fantastiska mekaniska egenskaper. Styvheten för ett material mäts i termer av dess youngs modul, graden av förändring av stress med tillämpad stam. Den youngs modul för bästa nanorör kan vara så hög som 1000 GPa vilket är cirka 5 gånger högre än stål. Den draghållfasthet, eller bryta stam av nanorör kan vara upp till 63 GPa, runt 50 högre än stål. Dessa egenskaper, i kombination med lätthet av kolnanorör, ger dem en stor potential i applikationer såsom flyg-och rymdindustrin. Det har även föreslagits att nanorör kan användas i “space hiss”, en Jorden-till-plats-kabel som först föreslagits av Arthur C. Clarke. Den elektroniska egenskaper hos kolnanorör är också märkligt. Särskilt anmärkningsvärt är det faktum att nanorör kan vara metalliska eller halvledande beroende på deras struktur. Alltså, vissa nanorör har konduktivitet högre än för koppar, medan andra beter sig mer som kisel. Det finns ett stort intresse för möjligheten att bygga nanonivå elektronisk utrustning från nanorör, och vissa framsteg gjorts på detta område. Men, för att konstruera en användbar enhet som vi skulle behöva för att ordna många tusentals av nanorör i ett bestämt mönster, och att vi ännu inte har den grad av kontroll som är nödvändigt för att uppnå detta. Det finns flera områden av teknik där kolnanorör används redan. Dessa inkluderar platt-bildskärmar, scanning probe mikroskop och anordningar. De unika egenskaperna hos kolnanorör kommer utan tvekan att leda till många fler tillämpningar.

Nanohorns

Single walled carbon koner med morfologier liknande de i nanotube mössor var första utarbetats av Peter Harris, Edman Tsang och kollegor 1994 (klicka här för att se våra papper). De var inte upptäcktes av NEC forskare, som anges i pressmeddelande. De var gjorda av hög temperatur värmebehandling av fulleren sot – klicka här för att se en typisk bild. Sumio Iijima grupp som senare visade sig att de också skulle kunna produceras av laser ablation av grafit, och gav dem namnet “nanohorns”. Denna grupp har visat att nanohorns har märkliga adsorptive och katalytiska egenskaper, och att de kan användas som komponenter av en ny generation av bränsleceller. För mer information se NEC pressmeddelande och denna nyhet från CNN.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *