Вуглецеві Нанотрубки: Структура, Синтез та Застосування

1. Структура та хіральність

Вуглецеві нанотрубки (ВНТ) – це циліндричні структури фулеренів з атомами вуглецю, спільно сполученими за схемою sp² . Одностенні ВНТ (ОСВНТ) мають діаметри 0,4–2 нм; багатостенні ВНТ (МВНТ) мають 2–100 шарів з інтервальним простором 0,34 нм. Хіральна векторна величина C_h = na₁ + ma₂ визначає структуру трубки. Аркадні (n,n) трубки завжди металеві; похилі (n,0) є металевими, коли n mod 3 = 0; хіральні (n,m) трубки є металевими, коли (n-m) mod 3 = 0. Близько третини випадкових ОСВНТ є металевими, дві третини – напівпровідниковими.

2. Методи синтезу

Розряд дугою (Ідзумі, 1991): графітові електроди в атмосфері гелію при ~3000°C дають МНТЗ. Лазерне відбиття: імпульсний лазер випаровує графітовий ціль з металевим каталізатором, що утворює високоякісні СВНТЗ. Хімічний випаровування з парової фази (ХВПФ) – це використання вуглецевого переносника (метан, етен) над наночастинками каталізатора (Fe, Co, Ni) при 600–1200°C. Збільшене плазмове ХВПФ дозволяє проводити реакції за нижчих температур. Технологія «Super-growth» з використанням води досягає міліметрових довжин усіяних вирівняних лісів. Процес HiPco використовує CO при високому тиску з каталізатором Fe(CO)₅.

3. Електронні та механічні властивості

Металічні SWCNT мають балістичну провідність: опір не залежить від довжини до приблизно 1 мкм. Щільність струму: >10⁹ А/см² (1000× міді). Напівпровідникові трубки мають ширину забороненої зони, обернено пропорційну діаметру: E_g = 2γ₀a_{CC}/d ≈ 0.7 еВ для трубки діаметром 1 нм. Модуль Юнга: ~1 ТПа (найміцніший відомий матеріал). Напруження при розриві: 30–100 ГПа. Теплопровідність: ~3500 Вт/мК (перевищує алмаз). Отношення довжини до діаметра може досягати 10⁸. Межа деформації: ~5% проти ~0,1% для сталі.

4. Функціоналізація та обробка

Кovalentна функціоналізація: окислення створює -COOH групи для подальших хімічних реакцій; знижує провідність. Нековалентна: π-π згортка з піреновими похідними, обволікання поверхнево активними речовинами (SDS, SDBS), обволікання ДНК для сортування за хіральністю. Виклики диспергування: збирання на основі сили Ван дер Ваальса (0,5 еВ/нм). Методи сортування: ультрацентрифугування по градієнту густини, гель-хоррологія, екстракція у водній двофазній системі. Вирівняні масиви CNT шляхом CVD на зразках каталізаторів. Волокна CNT, отримані з лісів або розчинів.

5. Застосування

Наноелектроніка: транзистори на основі вуглецевих нанотрубок (CNTFET) досягають розмірів 5 нм. IBM продемонструвала схеми з вуглецевих нанотрубок у масштабі вантажівки. Композити: додавання 0,5–5 відсотків CNT в полімери збільшує міцність на 30–50% та додає провідність. Енергетика: аноди з CNT покращують ємність літій-іонних батарей у 2 рази; суперконденсатори на основі CNT. Дисплеї: прозорі провідні плівки з CNT замінюють ITO. Сенсори: функціоналізовані CNT виявляють гази на рівні ppb. Біомедицина: доставка ліків за допомогою CNT, біосенсори. Структурні матеріали: бетон, армований CNT, зменшує тріщини на 25%.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері – відкрийте симулятор «Дифузія наночастинок – Моделювання Бруновського руху» та змінюйте параметри, поки він запущений. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Brownian Motion — Nanoparticle Diffusion Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.