Kol nanorör - Carbon nanotube

En skannande tunnelmikroskopi av en enväggig kolnanorör.

Roterande enkelväggig sicksack-nanorör i kol

Del av en serie artiklar om
Nanomaterial
Kolnanorör
Syntes Kemi Mekaniska egenskaper Optiska egenskaper Ansökningar Tidslinje
Fullerener
Buckminsterfullerene C70 fulleren Kemi Hälsopåverkan Kolallotroper
Andra nanopartiklar
Kolkvantprickar Kvantprickar Aluminiumoxid Cellulosa Keramisk Koboltoxid Koppar Guld Järn Järnoxid Järn -platina Lipid Platina Silver Titandioxid
Nanostrukturerade material
Nanokomposit Nanofoam Nanoporösa material Nanokristallint material
Vetenskapsportal  Teknikportal
v t e

Kolnanorör (CNT) är rör gjorda av kol med diametrar som vanligtvis mäts i nanometer .

Kolnanorör hänvisar ofta till enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) med diametrar i området av en nanometer. Enväggiga kolnanorör är ett av allotroperna av kol , mittemellan fullerenburar och platt grafen .

Även om det inte är gjort på detta sätt, kan enväggiga kolnanorör idealiseras som utskärningar från ett tvådimensionellt sexkantigt galler av kolatomer som rullas upp längs en av Bravais-gittervektorerna i det sexkantiga gallret för att bilda en ihålig cylinder. I denna konstruktion införs periodiska gränsvillkor över längden på denna upprullningsvektor för att ge ett spiralformat galler av sömlöst bundna kolatomer på cylinderytan.

Kolnanorör också ofta hänvisa till multivägg kolnanorör (MWCNTs) bestående av kapslade enkelväggiga kolnanorör svagt bundna samman av van der Waals-interaktioner i en trädringliknande konstruktion. Om de inte är identiska liknar dessa rör mycket Oberlin, Endo och Koyamas långa raka och parallella kolskikt cylindriskt anordnade runt ett ihåligt rör. Flerväggiga kolnanorör används också ibland för att referera till dubbel- och trippelväggiga kolnanorör.

Kolnanorör kan också hänvisa till rör med en obestämd kolväggstruktur och diametrar mindre än 100 nanometer. Sådana rör upptäcktes 1952 av Radushkevich och Lukyanovich.

Medan nanorör av andra kompositioner existerar, har den mesta forskningen fokuserats på de kol. Därför lämnas "kol" -kvalificeringen ofta implicit i akronymerna, och namnen förkortas NT , SWNT och MWNT .

Längden på ett kolnanorör som produceras med vanliga produktionsmetoder rapporteras ofta inte, men är vanligtvis mycket större än dess diameter. Sålunda försummas sluteffekter för många ändamål och längden på kolnanorör antas oändligt.

Kolnanorör kan uppvisa anmärkningsvärd elektrisk konduktivitet , medan andra är halvledare . De har också exceptionell draghållfasthet och värmeledningsförmåga på grund av deras nanostruktur och styrka hos bindningarna mellan kolatomer. Dessutom kan de modifieras kemiskt. Dessa egenskaper förväntas vara värdefulla inom många teknikområden, såsom elektronik , optik , kompositmaterial (ersätta eller komplettera kolfibrer ), nanoteknik och andra tillämpningar av materialvetenskap .

Att rulla upp ett sexkantigt galler längs olika riktningar för att bilda olika oändligt långa enväggiga kolnanorör visar att alla dessa rör inte bara har spiralformad utan också translationell symmetri längs röraxeln och många har också icke-trivial rotationssymmetri kring denna axel. Dessutom är de flesta kirala , vilket innebär att röret och dess spegelbild inte kan överlagras. Denna konstruktion gör också att enväggiga kolnanorör kan märkas med ett par heltal.

En särskild grupp av achirala enväggiga kolnanorör är metalliska , men resten är antingen små eller måttliga halvledare för bandgap . Dessa elektriska egenskaper beror emellertid inte på om det sexkantiga gallret rullas från baksidan till framsidan eller från framsidan till baksidan och är därför desamma för röret och dess spegelbild.

Konstruktion av enväggiga rör

Strukturen för ett idealiskt (oändligt långt) enväggigt kol-nanorör är ett vanligt sexkantigt galler som ritas på en oändlig cylindrisk yta, vars hörn är kolatomernas positioner. Eftersom längden på kol-kol-bindningarna är ganska fast, finns det begränsningar för cylinderns diameter och atomernas placering på den.

Sicksack- och fåtöljkonfigurationerna

I studien av nanorör definierar man en sicksackväg på ett grafenliknande galler som en väg som svänger 60 grader, alternerande vänster och höger, efter att ha gått igenom varje bindning. Det är också konventionellt att definiera en fåtöljbana som en som gör två vänstervarv på 60 grader följt av två högervarv vart fjärde steg.

På vissa kolnanorör finns det en stängd sicksackväg som går runt röret. En säger att röret är av sicksack -typ eller konfiguration, eller helt enkelt är ett sicksack -nanorör . Om röret istället omges av en stängd fåtölj, sägs det vara av fåtöljetypen eller en fåtölj nanorör .

Sicksack -nanorör, konfiguration (8, 0)

Fåtölj nanorör, konfiguration (4, 4)

En oändlig nanorör som är av sicksack (eller fåtölj) typ består helt och hållet av stängda sicksack (eller fåtölj) vägar, anslutna till varandra.

Beteckningen ( n , m )

En "skivad och upprullad" representation av en kolnanorör som en remsa av en grafenmolekyl, överlagrad på diagram över hela molekylen (svag bakgrund). Pilen visar gapet A2 där atomen A1 på ena kanten av remsan skulle passa i den motsatta kanten, när remsan rullas upp.

Sicksack- och fåtöljkonfigurationerna är inte de enda strukturerna som en enväggig nanorör kan ha. För att beskriva strukturen hos ett allmänt oändligt långt rör bör man föreställa sig att det skärs upp med ett snitt parallellt med dess axel, som går genom någon atom A och sedan rullas ut platt på planet, så att dess atomer och bindningar sammanfaller med dem av ett tänkt grafenark - närmare bestämt med en oändligt lång remsa av det arket.

De två halvorna av atomen A hamnar på motsatta kanter av remsan, över två atomer A1 och A2 i grafen. Linjen från A1 till A2 kommer att motsvara omkretsen av cylindern som gick genom atomen A och kommer att vara vinkelrät mot remsans kanter.

I grafengitteret kan atomerna delas upp i två klasser, beroende på riktningarna för deras tre bindningar. Halva atomerna har sina tre bindningar riktade på samma sätt, och hälften har sina tre bindningar roterade 180 grader i förhållande till den första halvan. Atomerna A1 och A2 , som motsvarar samma atom A på cylindern, måste vara i samma klass.

Det följer att rörets omkrets och remsans vinkel inte är godtyckliga, eftersom de är begränsade till längderna och riktningarna för linjerna som förbinder par av grafenatomer i samma klass.

Basvektorerna u och v för det relevanta undergitteret, (n, m) paren som definierar icke-isomorfa kolnanorörstrukturer (röda prickar) och paren som definierar enantiomererna för de kirala (blå prickarna).

Låt u och v vara två linjärt oberoende vektorer som ansluter grafenatomen A1 till två av dess närmaste atomer med samma bindningsriktningar. Det vill säga, om man numrerar på varandra följande kolatomer runt en grafencell med C1 till C6, då kan u vara vektorn från C1 till C3 och v vara vektorn från C1 till C5. För en annan atom A2 med samma klass som A1 kan vektorn från A1 till A2 skrivas som en linjär kombination n u + m v , där n och m är heltal. Och omvänt definierar varje par heltal ( n , m ) en möjlig position för A2 .

Med tanke på n och m kan man vända denna teoretiska operation genom att rita vektorn w på grafengitteret, klippa en remsa av den senare längs linjer vinkelrätt mot w genom dess slutpunkter A1 och A2 och rulla remsan till en cylinder för att få dessa två punkter tillsammans. Om denna konstruktion appliceras på ett par ( k , 0) blir resultatet en zigzag -nanorör med stängda zigzagbanor med 2 k atomer. Om det appliceras på ett par ( k , k ), får man ett fåtöljrör med stängda fåtöljbanor med 4 k atomer.

Nanorörstyper

Dessutom ändras inte nanorörets struktur om remsan roteras med 60 grader medurs runt A1 innan den hypotetiska rekonstruktionen ovan tillämpas. En sådan rotation ändrar motsvarande par ( n , m ) till paret (-2 m , n + m ).

Det följer att många möjliga positioner för A2 relativt A1 - det vill säga många par ( n , m ) - motsvarar samma arrangemang av atomer på nanoröret. Så är till exempel fallet med de sex paren (1,2), (−2,3), (−3,1), (−1, −2), (2, −3) och (3 , −1). I synnerhet beskriver paren ( k , 0) och (0, k ) samma nanorörsgeometri.

Dessa uppsägningar kan undvikas genom att endast betrakta par ( n , m ) så att n > 0 och m ≥ 0; det vill säga där riktningen för vektorn w ligger mellan riktningarna för u (inklusive) och v (exklusiv). Det kan verifieras att varje nanorör har exakt ett par ( n , m ) som uppfyller de villkor, som kallas rörets typ . Omvänt, för varje typ finns det en hypotetisk nanorör. Faktum är att två nanorör har samma typ om och bara om det ena kan konceptuellt roteras och översättas för att matcha det andra exakt.

I stället för typen ( n , m ) kan strukturen för en kolnanorör specificeras genom att ange längden på vektorn w (det vill säga omkretsen av nanoröret) och vinkeln α mellan riktningarna för u och w , som kan sträcka sig från 0 (inklusive) till 60 grader medurs (exklusivt). Om diagrammet är ritat med u horisontellt är det senare remsans lutning bort från vertikalen.

Här är några upprullade nanorördiagram:

• 

  Kiral nanorör av typen (3,1).

• 

  Kiral nanorör av (1,3) typ, spegelbild av (3,1) typ.

• 

  Nanorör av typen (2,2), den smalaste "fåtöljen"

• 

  Nanorör av typen (3,0), den smalaste "sicksack"

Kiralitet och spegelsymmetri

En nanorör är kiral om den har typ ( n , m ), med m > 0 och m ≠ n ; då har dess enantiomer (spegelbild) typ ( m , n ), som skiljer sig från ( n , m ). Denna operation motsvarar att spegla den utrullade remsan kring linjen L till A1 som gör en vinkel på 30 grader medurs från u -vektorn (det vill säga med riktningen för vektorn u + v ). De enda typerna av nanorör som är achirala är ( k , 0) "zigzag" -rören och ( k , k ) "fåtölj" -rören.

Om två enantiomerer ska betraktas som samma struktur, kan man bara överväga typer ( n , m ) med 0 ≤ m ≤ n och n > 0. Då är vinkeln α mellan u och w , som kan sträcka sig från 0 till 30 grader (inklusive båda), kallas nirörets "kirala vinkel".

Omkrets och diameter

Från n och m kan man också beräkna omkretsen c , som är längden på vektorn w , vilket visar sig vara

${\ displaystyle c = \ left | {\ boldsymbol {u}} \ right | {\ sqrt {(n^{2}+nm+m^{2})}}} \ approx 246 {\ sqrt {((n+ m)^{2} -nm)}}}}$

i pikometrar . Diametern på röret är då , det vill säga ${\ displaystyle d}$${\ displaystyle c/\ pi}$

${\ displaystyle d \ approx 78.3 {\ sqrt {((n+m)^{2} -nm)}}}$

även i pikometrar. (Dessa formler är bara ungefärliga, särskilt för små n och m där bindningarna är ansträngda; och de tar inte hänsyn till väggens tjocklek.)

Lutningsvinkeln α mellan u och w och omkretsen c är relaterad till typindexen n och m by

${\ displaystyle \ alpha \; = \; \ arg (n+m/2, \, m {\ sqrt {3}}/2) \; = \; \ mathop {\ mathrm {arc}} \ cos {\ frac {n+m/2} {c}}}$

där arg ( x , y ) är medurs vinkel mellan X -axeln och vektorn ( x , y ); en funktion som finns på många programmeringsspråk som atan2( y , x ). Omvänt, med c och α , kan man få typen ( n , m ) med formlerna

${\ displaystyle m = {\ frac {2c} {\ sqrt {3}}} \ sin \ alpha \ quad \ quad n = c \ cos \ alpha -{\ frac {m} {2}}}$

som måste utvärderas till heltal.

Fysiska gränser

Smalaste nanorör

Om n och m är för små, kommer strukturen som beskrivs av paret ( n , m ) att beskriva en molekyl som rimligen inte kan kallas ett "rör" och kanske inte ens är stabil. Till exempel skulle strukturen som teoretiskt beskrivs av paret (1,0) (den begränsande "zigzag" -typen) bara vara en kedja av kol. Det är en verklig molekyl, karbynen ; som har vissa egenskaper hos nanorör (såsom orbitalhybridisering, hög draghållfasthet, etc.) - men har inget ihåligt utrymme och kanske inte kan erhållas som en kondenserad fas. Paret (2,0) skulle teoretiskt ge en kedja av sammansmältade 4-cykler; och (1,1), den begränsande "fåtölj" -strukturen, skulle ge en kedja av tvåkopplade 4-ringar. Dessa strukturer är kanske inte realiserbara.

Det tunnaste kol -nanoröret är egentligen fåtöljstrukturen med typ (2,2), som har en diameter på 0,3 nm. Denna nanorör odlades inuti ett flerväggigt kolnanorör. Tilldelning av kolnanorörstypen gjordes genom en kombination av högupplösta transmissionselektronmikroskopi (HRTEM), Raman-spektroskopi och densitetstypisk teori (DFT).

Det tunnaste fristående enväggiga kolnanoröret är cirka 0,43 nm i diameter. Forskare föreslog att det kan vara antingen (5,1) eller (4,2) SWCNT, men den exakta typen av kolnanorör förblir tveksam. (3,3), (4,3) och (5,1) kolnanorör (alla cirka 0,4 nm i diameter) identifierades entydigt med hjälp av aberrationskorrigerad högupplöst transmissionselektronmikroskopi inuti dubbelväggiga CNT.

Här är några rörtyper som är "urartade" för att vara för smala:

• 

  Degenerera "sicksack" rörtyp (1,0)

• 

  Degenerera "sicksack" rörtyp (2,0)

• 

  Degenererad "fåtölj" rörtyp (1,1)

• 

  Möjligen degenererad kiral rörtyp (2,1)

Längd

Cykloparafenylen

Observationen av de längsta kolnanorör odlas hittills, cirka 1/2 meter (550 mm lång), rapporterades i 2013. Dessa nanorör odlades på kiselsubstrat med användning av en förbättrad kemisk ångavsättning (CVD) -metoden och representerar elektriskt enhetliga matriser av enväggiga kolnanorör.

Det kortaste kolnanoröret kan anses vara den organiska föreningen cykloparafenylen , som syntetiserades 2008 av Ramesh Jasti . Andra nanorör med små molekyler har syntetiserats sedan.

Densitet

Den högsta tätheten av cnts uppnåddes i 2013, odlas på en ledande titan -belagd kopparytan som var belagd med samkatalysatorer kobolt och molybden vid lägre än typiska temperaturer av 450 ° C. Rören hade en genomsnittlig höjd av 380 nm och en massdensitet på 1,6 g cm ⁻³ . Materialet visade ohmsk konduktivitet (lägsta motstånd ∼22 kΩ).

Varianter

Det finns ingen enighet om vissa termer som beskriver kolnanorör i vetenskaplig litteratur: både "-vägg" och "-väggiga" används i kombination med "singel", "dubbel", "trippel" eller "multi" och bokstaven C utelämnas ofta i förkortningen, till exempel flerväggig kolnanorör (MWNT). International Standards Organization använder envägg eller flervägg i sina dokument.

Flerväggiga

Trippelväggad fåtölj i nanorör i kol

Flerväggiga nanorör (MWNT) består av flera rullade lager (koncentriska rör) av grafen. Det finns två modeller som kan användas för att beskriva strukturerna för flerväggiga nanorör. I Russian Doll- modellen är grafitark anordnade i koncentriska cylindrar, t.ex. ett (0,8) enkelväggigt nanorör (SWNT) inom ett större (0,17) enkelväggigt nanorör. I Pergament -modellen rullas ett enda ark grafit runt sig själv, som liknar en pergamentrulle eller en rullad tidning. Avståndet mellan lager i flerväggiga nanorör är nära avståndet mellan grafenlager i grafit, cirka 3,4 Å. Den ryska dockstrukturen observeras vanligare. Dess individuella skal kan beskrivas som SWNT, som kan vara metalliska eller halvledande. På grund av statistisk sannolikhet och begränsningar av de individuella rörens relativa diametrar är vanligtvis ett av skalen, och därmed hela MWNT, en metall med nollgap.

Dubbelväggiga kolnanorör (DWNT) bildar en särskild klass av nanorör eftersom deras morfologi och egenskaper liknar SWNT: s men de är mer motståndskraftiga mot angrepp av kemikalier. Detta är särskilt viktigt när det är nödvändigt att ympa kemiska funktioner på ytan av nanorören ( funktionalisering ) för att lägga till egenskaper till CNT. Kovalent funktionalisering av SWNT kommer att bryta vissa C = C dubbelbindningar , vilket lämnar "hål" i strukturen på nanoröret och ändrar därmed både dess mekaniska och elektriska egenskaper. När det gäller DWNT är det bara ytterväggen som modifieras. DWNT-syntes i gramskala med CCVD- tekniken föreslogs först 2003 från selektiv reduktion av oxidlösningar i metan och väte.

De inre skalens teleskopiska rörelseförmåga och deras unika mekaniska egenskaper tillåter användning av flerväggiga nanorör som de främsta rörliga armarna i kommande nanomekaniska anordningar. Den indragningskraft som uppstår vid teleskoprörelse orsakas av Lennard-Jones-interaktionen mellan skal och dess värde är cirka 1,5 nN.

Korsningar och tvärbindning

Överföringselektronmikroskopbild av kol -nanorörskorsning

Korsningar mellan två eller flera nanorör har diskuterats i stor utsträckning teoretiskt. Sådana korsningar observeras ganska ofta i prover framställda genom bågutsläpp såväl som genom kemisk ångavsättning . De elektroniska egenskaperna hos sådana korsningar betraktades först teoretiskt av Lambin et al., Som påpekade att en anslutning mellan ett metallrör och ett halvledande skulle representera en heterojunction i nanoskala. En sådan övergång kan därför utgöra en komponent i en nanorörbaserad elektronisk krets. Den intilliggande bilden visar en korsning mellan två flerväggiga nanorör.

Korsningar mellan nanorör och grafen har beaktats teoretiskt och studerats experimentellt. Nanorör-grafenkorsningar utgör grunden för pelaren grafen , där parallella grafenark separeras med korta nanorör. Pillared grafen representerar en klass av tredimensionella kolnanorörsarkitekturer .

3D kolställningar

Nyligen har flera studier belyst möjligheterna att använda kolnanorör som byggstenar för att tillverka tredimensionella makroskopiska (> 100 nm i alla tre dimensioner) allkolanordningar. Lalwani et al. har rapporterat en ny radikalinitierad termisk tvärbindningsmetod för att tillverka makroskopiska, fristående, porösa, helt kol-ställningar med en- och flerväggiga kolnanorör som byggstenar. Dessa ställningar har makro-, mikro- och nanostrukturerade porer, och porositeten kan skräddarsys för specifika tillämpningar. Dessa 3D-kol-byggnader/arkitekturer kan användas för tillverkning av nästa generations energilagring, superkondensatorer, fältemissionstransistorer, högpresterande katalys, solceller och biomedicinska enheter, implantat och sensorer.

Andra morfologier

En stabil nanobud -struktur

Carbon nanobuds är ett nyskapat material som kombinerar två tidigare upptäckta allotroper av kol: kolnanorör och fullerener . I detta nya material är fullerenliknande "knoppar" kovalent bundna till de yttre sidoväggarna på det underliggande kolnanoröret. Detta hybridmaterial har användbara egenskaper hos både fullerener och kolnanorör. I synnerhet har de visat sig vara exceptionellt bra fältemitterare . I kompositmaterial kan de bifogade fullerenmolekylerna fungera som molekylära ankare som förhindrar glidning av nanorören, vilket förbättrar kompositens mekaniska egenskaper.

En kolpodd är ett nytt hybridkolmaterial som fångar upp fulleren inuti ett kolnanorör. Det kan ha intressanta magnetiska egenskaper med uppvärmning och bestrålning. Det kan också tillämpas som en oscillator under teoretiska undersökningar och förutsägelser.

I teorin är en nanotorus en kolnanorör böjd till en torus (munkform). Nanotori förutspås ha många unika egenskaper, till exempel magnetiska moment 1000 gånger större än vad som tidigare förväntats för vissa specifika radier. Egenskaper som magnetmoment , termisk stabilitet etc. varierar mycket beroende på torusradien och rörets radie.

Graphenated kolnanorör är en relativt ny hybrid som kombinerar grafit foliates odlas längs sidoväggarna av flerväggigt eller bambu stil cnts. Den foliate densitet kan variera som en funktion av avsättningsförhållandena (t ex temperatur och tid) med deras struktur som sträcker sig från några få skikt av grafen (<10) till tjockare, mer grafit -liknande. Den grundläggande fördelen med en integrerad grafen -CNT -struktur är den tredimensionella ramen för CNT: er med hög ytarea i kombination med grafens höga kantdensitet. Deponering av en hög densitet av grafenlöv längs längden på inriktade CNT: er kan avsevärt öka den totala laddningskapaciteten per enhet nominell yta jämfört med andra kolnanostrukturer.

Koppstaplade kolnanorör (CSCNT) skiljer sig från andra kvasi-1D-kolstrukturer, som normalt beter sig som kvasimetalliska ledare av elektroner. CSCNT uppvisar halvledande beteende på grund av staplingsmikrostrukturen av grafenlager.

Egenskaper

Många egenskaper hos enväggiga kolnanorör beror avsevärt på ( n , m ) typen, och detta beroende är icke- monoton (se Kataura-diagram ). I synnerhet kan bandgapet variera från noll till cirka 2 eV och den elektriska konduktiviteten kan visa metalliskt eller halvledande beteende.

Mekanisk

En avsökande elektronmikroskopi av kol -nanorörsbuntar

Kolnanorör är de starkaste och styvaste materialen som hittills upptäckts när det gäller draghållfasthet och elastisk modul . Denna styrka är resultatet av de kovalenta sp ² -bindningarna som bildas mellan de enskilda kolatomerna. År 2000 testades ett nanorör med flera väggar för att ha en draghållfasthet på 63 gigapascal (9 100 000 psi). (Till exempel översätts detta till förmågan att uthärda en spänning med en vikt som motsvarar 6 422 kilogram-kraft (62 980 N; 14 160 lbf) på en kabel med ett tvärsnitt på 1 kvadrat millimeter (0,0016 kvadratmeter)). Ytterligare studier, till exempel en som genomfördes 2008, avslöjade att enskilda CNT -skal har styrkor upp till ≈100 gigapascal (15 000 000 psi), vilket överensstämmer med kvant-/atomistiska modeller. Eftersom kolnanorör har en låg densitet för en solid av 1,3 till 1,4 g / cm ³ , dess specifika hållfastheten på upp till 48 tusen kNm · kg ^-1 är det bästa av kända material, jämfört med hög kolstål s 154 kN-m · Kg ⁻¹ .

Även om styrkan hos enskilda CNT -skal är extremt hög, leder svaga skjuvinteraktioner mellan intilliggande skal och rör till en signifikant minskning av den effektiva styrkan hos flerväggiga kolnanorör och kolnanorörsbuntar till endast några få GPa. Denna begränsning har nyligen åtgärdats genom att tillämpa elektronisk bestrålning med hög energi, som tvärbinder inre skal och rör, och effektivt ökar styrkan hos dessa material till GP60 GPa för flerväggiga kolnanorör och ≈17 GPa för dubbelväggiga kolnanorörsbuntar. CNT är inte lika starka under komprimering. På grund av sin ihåliga struktur och höga bildförhållande tenderar de att genomgå böjning när de placeras under tryck-, vrid- eller böjspänning.

Å andra sidan fanns det bevis för att de i radiell riktning är ganska mjuka. Den första transmissionselektronmikroskopobservationen av radiell elasticitet föreslog att även van der Waals krafter kan deformera två intilliggande nanorör. Senare utfördes nanoindentationer med ett atomkraftmikroskop av flera grupper för att kvantitativt mäta radiell elasticitet hos flerväggiga kolnanorör och tappning/kontaktläge atomkraftmikroskopi utfördes också på enväggiga kolnanorör. Youngs modul i storleksordningen flera GPa visade att CNT faktiskt är mycket mjuka i radiell riktning.

Elektrisk

Bandstrukturer beräknas med hjälp av en tät bindnings -approximation för (6,0) CNT (zigzag, metallic), (10,2) CNT (halvledande) och (10,10) CNT (fåtölj, metalliskt).

Till skillnad från grafen, som är en tvådimensionell halvmetall, är kolnanorör antingen metalliska eller halvledande längs den rörformiga axeln. För en given ( n , m ) nanorör, om n = m , är nanoröret metalliskt; om n - m är en multipel av 3 och n ≠ m, då nanoröret är kvasi-metallic med ett mycket litet bandgap, annars nanoröret är en måttlig halvledare . Således är alla fåtölj ( n = m ) nanorör metalliska och nanorör (6,4), (9,1), etc. är halvledande. Kolnanorör är inte halvmetalliska eftersom degenererade punkten (punkten där π [bindnings] -bandet möter π* [anti-bindnings] -bandet, vid vilket energin går till noll) förskjuts något från K- punkten i Brillouin-zonen på grund av krökningen av rörytan, vilket orsakar hybridisering mellan σ* och π* anti-bindningsband, vilket modifierar banddispersionen.

Regeln om metalliskt kontra halvledarbeteende har undantag eftersom krökningseffekter i rör med liten diameter kan starkt påverka elektriska egenskaper. Således är en (5,0) SWCNT som faktiskt borde vara halvledande metallisk enligt beräkningarna. På samma sätt har sicksack- och kirala SWCNT: er med små diametrar som ska vara metalliska ett ändligt mellanrum (fåtölj nanorör förblir metalliska). I teorin, kan metalliska nanorör bära en elektrisk strömtäthet av 4 x 10 ⁹ A / cm ² , vilket är mer än 1000 gånger större än de av metaller såsom koppar , där för kopparsammankopplingar , är strömtätheter begränsade av elektromigrering . Kolnanorör undersöks således som sammankopplingar och konduktivitetsförbättrande komponenter i kompositmaterial, och många grupper försöker kommersialisera högledande elektrisk tråd monterad från enskilda kolnanorör. Det finns dock betydande utmaningar att övervinna, till exempel oönskad strömmättnad under spänning och de mycket mer motståndskraftiga nanorör-till-nanorörkorsningar och föroreningar, som alla sänker den elektriska konduktiviteten hos de makroskopiska nanorörstrådarna i storleksordningen, jämfört med varandra till de enskilda nanorörens konduktivitet.

På grund av dess nanoskala tvärsnitt förökar sig elektroner endast längs rörets axel. Som ett resultat kallas kolnanorör ofta som endimensionella ledare. Den maximala elektriska konduktansen för ett enväggigt kolnanorör är 2 G ₀ , där G ₀ = 2 e ² / h är konduktansen för en enda ballistisk kvantkanal .

På grund av den roll som π-elektronsystem vid bestämning av de elektroniska egenskaperna hos grafen , dopning i kolnanorör skiljer sig från den hos bulkkristallina halvledare från samma grupp i det periodiska systemet (t ex kisel). Grafisk substitution av kolatomer i nanorörväggen med bor- eller kvävedopande medel leder till beteende av p-typ respektive n-typ, vilket skulle förväntas i kisel. Vissa icke-substitutionella (interkalerade eller adsorberade) dopningsmedel som införs i ett kolnanorör, såsom alkalimetaller och elektronrika metallocener, leder dock till ledning av n-typ eftersom de donerar elektroner till π-elektronsystemet i nanoröret. Däremot acceptorer π-elektron såsom FeCla ₃ eller elektronfattiga metallocener fungerar som p-typ dopämnen eftersom de drar π-elektroner bort från toppen av valensbandet.

Intrinsisk supraledningsförmåga har rapporterats, även om andra experiment inte fann några tecken på detta, vilket lämnar påståendet föremål för debatt.

År 2021 publicerade Michael Strano, professor i kemiteknik vid MIT, Carbon P. Dubbs, avdelningsresultat om användningen av kolnanorör för att skapa en elektrisk ström. Genom att sänka strukturerna i ett organiskt lösningsmedel drog vätskan elektroner ur kolpartiklarna. Strano citerades för att säga, "Detta låter dig göra elektrokemi, men utan ledningar", och representerar ett betydande genombrott i tekniken. Framtida applikationer inkluderar att driva mikro- eller nanoskalrobotar samt att driva alkoholoxidationsreaktioner, som är viktiga i kemikalieindustrin.

Optisk

Kolnanorör har användbar absorption , fotoluminescens ( fluorescens ) och Ramans spektroskopi egenskaper. Spektroskopiska metoder ger möjlighet till snabb och icke-destruktiv karakterisering av relativt stora mängder kolnanorör. Det finns en stark efterfrågan på sådan karakterisering ur industriell synvinkel: många parametrar för nanorörssyntes kan ändras, avsiktligt eller oavsiktligt, för att ändra nanorörets kvalitet. Som visas nedan möjliggör optisk absorption, fotoluminescens och Raman-spektroskopi snabb och tillförlitlig karakterisering av denna "nanorörkvalitet" när det gäller icke-rörformigt kolinnehåll, struktur (kiralitet) hos de producerade nanorören och strukturella defekter. Dessa funktioner bestämmer nästan alla andra egenskaper som optiska, mekaniska och elektriska egenskaper.

Kolnanorör är unika "endimensionella system" som kan ses som rullade enkla ark av grafit (eller mer exakt grafen ). Denna valsning kan göras i olika vinklar och krökningar vilket resulterar i olika nanoröregenskaper. Diametern varierar vanligtvis i intervallet 0,4–40 nm (dvs "bara" ~ 100 gånger), men längden kan variera ~ 100 000 000 000 gånger, från 0,14 nm till 55,5 cm. Bildförhållandet nanorör , eller förhållandet längd till diameter, kan vara så högt som 132 000 000: 1, vilket är oöverträffat av något annat material. Följaktligen är alla egenskaper hos kolnanorören relativt de hos typiska halvledare extremt anisotropa (riktningsberoende) och avstämbara.

Medan mekaniska, elektriska och elektrokemiska ( superkondensator ) egenskaper hos kolnanorören är väl etablerade och har omedelbara tillämpningar , är den praktiska användningen av optiska egenskaper ännu oklar. Den ovannämnda avstämbarheten av egenskaper är potentiellt användbar inom optik och fotonik . I synnerhet har lysdioder ( lysdioder ) och fotodetektorer baserade på en enda nanorör producerats i laboratoriet. Deras unika särdrag är inte effektiviteten, som ännu är relativt låg, utan den snäva selektiviteten i våglängden för emission och detektion av ljus och möjligheten till finjustering genom nanorörstrukturen. Dessutom har bolometer och optoelektroniska minnesenheter realiserats på ensembler av enväggiga kolnanorör.

Kristallografiska defekter påverkar också rörets elektriska egenskaper. Ett vanligt resultat är sänkt konduktivitet genom rörets defekta område. En defekt i fåtölsrör (som kan leda elektricitet) kan få det omgivande området att bli halvledande och enstaka monatomiska lediga platser inducerar magnetiska egenskaper.

Termisk

Alla nanorör förväntas vara mycket goda värmeledare längs röret, som uppvisar en egenskap som kallas " ballistisk ledning ", men bra isolatorer i sidled till röraxeln. Mätningar visar att en individuell SWNT har en rumstemperatur värmeledningsförmåga längs sin axel på cirka 3500 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ ; jämför detta med koppar, en metall som är känd för sin goda värmeledningsförmåga , som överför 385 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ . En individuell SWNT har en rumstemperatur värmeledningsförmåga i sidled till sin axel (i radiell riktning) på cirka 1,52 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ , vilket är ungefär lika värmeledande som jord. Makroskopiska sammansättningar av nanorör som filmer eller fibrer har nått upp till 1500 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ hittills. Nätverk som består av nanorör visar olika värden för värmeledningsförmåga, från värmeisoleringsnivån med värmeledningsförmågan på 0,1 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ till så höga värden. Det beror på mängden bidrag till systemets värmebeständighet som orsakas av förekomst av föroreningar, feljusteringar och andra faktorer. Temperaturstabiliteten för kolnanorör uppskattas till upp till 2800 ° C i vakuum och cirka 750 ° C i luft.

Kristallografiska defekter påverkar starkt rörets termiska egenskaper. Sådana defekter leder till fononspridning , vilket i sin tur ökar avslappningshastigheten för fononerna. Detta minskar den genomsnittliga fria vägen och minskar värmeledningsförmågan hos nanorörstrukturer. Fonontransportsimuleringar indikerar att substitutionsdefekter som kväve eller bor främst kommer att leda till spridning av högfrekventa optiska fononer. Storskaliga defekter som Stone Wales-defekter orsakar emellertid fononspridning över ett stort antal frekvenser, vilket leder till en större minskning av värmeledningsförmågan.

Syntes

Tekniker har utvecklats för att producera nanorör i stora mängder, inklusive bågurladdning, laserablation, kemisk ångavsättning (CVD) och högtrycks-kolmonoxidproportionering (HiPCO). Bland dessa ljusbågsurladdning är laserablation, kemisk ångavsättning (CVD) satsvis för sats och HiPCO är en gasfas kontinuerlig process. De flesta av dessa processer sker i vakuum eller med processgaser. CVD -tillväxtmetoden är populär, eftersom den ger hög kvantitet och har en viss kontroll över diameter, längd och morfologi. Med hjälp av partikelformiga katalysatorer kan stora mängder nanorör syntetiseras med dessa metoder, men att uppnå repeterbarhet blir ett stort problem med CVD -tillväxt. HiPCO -processens framsteg inom katalys och kontinuerlig tillväxt gör CNT mer kommersiellt livskraftiga. HiPCO -processen hjälper till att producera högrena enkelväggiga kolnanorör i större kvantitet. HiPCO-reaktorn arbetar vid hög temperatur 900-1100 ° C och högt tryck ~ 30-50 bar. Den använder kolmonoxid som kolkälla och järnpentakarbonyl eller nickeltetrakarbonyl som katalysator. Dessa katalysatorer fungerar som kärnbildningsstället för nanorören att växa.

Vertikalt inriktade kolnanorörsuppsättningar odlas också genom termisk kemisk ångavsättning. Ett substrat (kvarts, kisel, rostfritt stål, etc.) är belagt med ett katalytiskt metallskikt (Fe, Co, Ni). Det skiktet är vanligtvis järn och deponeras via förstoftning till en tjocklek på 1–5 nm. Ett 10–50 nm underlag av aluminiumoxid läggs ofta också på substratet först. Detta ger kontrollerbar vätning och goda gränssnittsegenskaper. När substratet värms upp till tillväxttemperaturen (~ 700 ° C) bryts den kontinuerliga järnfilmen upp i små öar ... varje ö kärnar sedan ett kolnanorör. Den sputtrade tjockleken styr öns storlek, och detta bestämmer i sin tur nanorörets diameter. Tunnare järnlager drar ner öarnas diameter, och de drar ner diametern på de odlade nanorören. Tiden som metallön kan sitta vid tillväxttemperaturen är begränsad eftersom de är rörliga och kan smälta samman till större (men färre) öar. Glödgning vid tillväxttemperaturen minskar platstätheten (antal CNT/ ^mm2 ) samtidigt som katalysatordiametern ökar.

De som framställda kolnanorören har alltid föroreningar som andra former av kol (amorft kol, fulleren, etc.) och icke-kolhaltiga föroreningar (metall som används för katalysator). Dessa föroreningar måste avlägsnas för att använda kolnanorören i applikationer.

Funktionalisering

CNT är kända för att ha svag spridbarhet i många lösningsmedel, såsom vatten, till följd av starka intermolekylära p -p -interaktioner. Detta hindrar bearbetbarheten av CNT i industriella tillämpningar. För att ta itu med problemet har olika tekniker utvecklats under åren för att ändra ytan på CNT för att förbättra deras stabilitet och löslighet i vatten. Detta förbättrar bearbetning och manipulation av olösliga CNT, vilket gör dem användbara för att syntetisera innovativa CNT-nanofluider med imponerande egenskaper som kan ställas in för ett brett spektrum av applikationer. Kemiska vägar som kovalent funktionalisering har studerats ingående, vilket innefattar oxidation av CNT via starka syror (t.ex. svavelsyra, salpetersyra eller en blandning av båda) för att sätta de karboxylgrupperna på ytan av CNT: erna som den sista produkt eller för ytterligare modifiering genom förestring eller aminering. Fri radikal ympning är en lovande teknik bland kovalenta funktionaliseringsmetoder, där alkyl- eller arylperoxider, substituerade aniliner och diazoniumsalter används som startmedel. Fri radikal ympning av makromolekyler (som den funktionella gruppen) på ytan av CNT kan förbättra lösligheten för CNT jämfört med vanliga syrabehandlingar som innefattar fastsättning av små molekyler såsom hydroxyl på ytan av CNT. lösligheten för CNT kan förbättras avsevärt genom fri-radikal ympning eftersom de stora funktionella molekylerna underlättar spridningen av CNT i en mängd olika lösningsmedel, även vid en låg funktionaliseringsgrad. Nyligen har ett innovativt, biobaserat, miljövänligt tillvägagångssätt utvecklats för kovalent funktionalisering av flerväggiga kolnanorör (MWCNT) med hjälp av kryddnejlika. Detta tillvägagångssätt är innovativt och grönt eftersom det inte använder giftiga och farliga syror som vanligtvis används i vanliga kolananomaterialfunktionaliseringsprocedurer. MWCNT: er funktionaliseras i en kruka med användning av en radikal ympningsreaktion. De kryddnejlika-funktionaliserade MWCNT dispergeras sedan i vatten, vilket ger en mycket stabil flerväggig nanorör av kolvätska (nanofluids).

Modellering

Datorsimulerade mikrostrukturer med tätorter

Kolnanorör modelleras på liknande sätt som traditionella kompositer där en förstärkningsfas omges av en matrisfas. Idealiska modeller som cylindriska, sexkantiga och fyrkantiga modeller är vanliga. Storleken på mikromekanismodellen är starkt funktionell för de studerade mekaniska egenskaperna. Begreppet representativt volymelement (RVE) används för att bestämma lämplig storlek och konfiguration av datormodell för att replikera det verkliga beteendet hos CNT -förstärkt nanokomposit. Beroende på materialegenskapen av intresse (termisk, elektrisk, modul, krypning) kan en RVE förutsäga egenskapen bättre än alternativen. Medan implementeringen av den ideala modellen är beräkningsmässigt effektiv, representerar de inte mikrostrukturella funktioner som observerats vid skanningelektronmikroskopi av faktiska nanokompositer. För att införliva realistisk modellering genereras också datormodeller för att införliva variationer såsom vågighet, orientering och tätbebyggelse av multiväggar eller enväggiga kolnanorör.

Metrologi

Det finns många metrologinormer och referensmaterial tillgängliga för kolnanorör.

För enväggiga kolnanorör beskriver ISO /TS 10868 en mätmetod för metalliska nanorörs diameter, renhet och fraktion genom optisk absorptionsspektroskopi , medan ISO/TS 10797 och ISO/TS 10798 fastställer metoder för att karakterisera morfologin och grundkompositionen av enväggiga kolnanorör, med överföringselektronmikroskopi respektive skanningselektronmikroskopi , i kombination med energidispersiv röntgenspektrometrianalys .

NIST SRM 2483 är en sot av enväggiga kolnanorör som används som referensmaterial för elementanalys och kännetecknades med hjälp av termogravimetrisk analys , snabb gammaaktiveringsanalys , inducerad neutronaktiveringsanalys , induktivt kopplad plasmamasspektroskopi , resonant Ramanspridning , UV- synlig-nära infraröd fluorescensspektroskopi och absorptionsspektroskopi, skanningselektronmikroskopi och transmissionselektronmikroskopi. Den National Research Council kanadensiska erbjuder också ett certifierat referensmaterial SWCNT-1 för grundämnesanalys med hjälp av neutronaktiveringsanalys och induktivt kopplad plasma masspektroskopi. NIST RM 8281 är en blandning av tre längder av enväggig kolnanorör.

För nanorör med flera väggar identifierar ISO/TR 10929 de grundläggande egenskaperna och innehållet i föroreningar, medan ISO/TS 11888 beskriver morfologi med hjälp av skanningelektronmikroskopi, transmissionselektronmikroskopi, viskometri och ljusspridningsanalys . ISO/TS 10798 gäller även för nanorör med flera väggar.

Kemisk modifiering

Kolnanorör kan funktionaliseras för att uppnå önskade egenskaper som kan användas i en mängd olika applikationer. De två huvudmetoderna för funktionalisering av kolnanorör är kovalenta och icke-kovalenta modifieringar. På grund av sin uppenbara hydrofoba natur tenderar kolnanorör att agglomerera och hindra deras dispersion i lösningsmedel eller viskösa polymersmältningar. De resulterande nanorörsbuntarna eller aggregaten reducerar den mekaniska prestandan hos den slutliga kompositen. Ytan på kolnanorören kan modifieras för att minska hydrofobiciteten och förbättra gränsyteadhesionen till en bulkpolymer genom kemisk fastsättning.

Ytan på kolnanorör kan modifieras kemiskt genom att belägga spinellnanopartiklar genom hydrotermisk syntes och kan användas för vattenoxideringsändamål.

Dessutom kan kolnanorörens yta fluoreras eller halofluoreras genom uppvärmning under kontakt med ett fluoroorganiskt ämne och därigenom bildas delvis fluorerade kol (så kallade Fluocar -material) med ympad (halo) fluoralkylfunktionalitet.

Ansökningar

Ett primärt hinder för tillämpningar av kolnanorör har varit deras kostnad. Priserna på enväggiga nanorör sjönk från cirka $ 1500 per gram från 2000 till detaljhandelspriser på cirka $ 50 per gram som producerade 40–60 viktprocent SWNT från och med mars 2010. Från och med 2016 var detaljhandelspriset för as-producerad 75 viktprocent SWNT var 2 dollar per gram.

Nuvarande

Nanotape

Nuvarande användning och tillämpning av nanorör har mestadels begränsats till användning av bulk nanorör, vilket är en massa ganska oorganiserade fragment av nanorör. Bulk -nanorörmaterial uppnår kanske aldrig en draghållfasthet som liknar den för enskilda rör, men sådana kompositer kan dock ge tillräckliga styrkor för många tillämpningar. Bulk kolnanorör har redan använts som kompositfibrer i polymerer för att förbättra de mekaniska, termiska och elektriska egenskaperna hos bulkprodukten.

• Easton-Bell Sports, Inc. har samarbetat med Zyvex Performance Materials , med hjälp av CNT-teknik i ett antal av deras cykelkomponenter- inklusive platta och stigande styr, vevar, gafflar, sadelstolpar, stjälkar och aerostänger.
• Amroy Europe Oy tillverkar Hybtonit -kol -nanoepoxihartser där kolnanorör har kemiskt aktiverats för att binda till epoxi , vilket resulterar i ett kompositmaterial som är 20% till 30% starkare än andra kompositmaterial. Den har använts för vindkraftverk, marina färger och en mängd olika sportutrustningar som skidor, ishockeyklubbor, basebollträn, jaktpilar och surfbrädor.
• Surrey NanoSystems syntetiserar kol -nanorör för att skapa ett fantastiskt läge .

Andra aktuella applikationer inkluderar:

• "Gecko tape" (även kallat " nano tape ") säljs ofta kommersiellt som dubbelsidig tejp . Den kan användas för att hänga lättviktsartiklar som bilder och dekorativa föremål på släta väggar utan att stansa hål i väggen. Kolnanorörsarrayerna som innehåller de syntetiska seta lämnar inga rester efter avlägsnande och kan hålla sig klibbiga i extrema temperaturer.
• tips för atomkraftsmikroskop sonder
• inom vävnadsteknik kan kolnanorör fungera som byggnadsställningar för bentillväxt

Under utveckling

Aktuell forskning för moderna applikationer inkluderar:

• Använda kolnanorör som kanalmaterial för kolnanorörs fält-effekt-transistorer .
• Använda kolnanorör som en byggnadsställning för olika mikrofabriceringstekniker.
• Energispridning i självorganiserade nanostrukturer under påverkan av ett elektriskt fält.
• Använda kolnanorör för miljöövervakning på grund av deras aktiva ytarea och deras förmåga att absorbera gaser.
• Jack Andraka använde kolnanorör i sitt cancer i bukspottskörteln. Hans testmetod vann Intel International Science and Engineering Fair Gordon E. Moore Award våren 2012.
• Boeing Company har patenterat användningen av kolnanorör för strukturell hälsoövervakning av kompositer som används i flygplanstrukturer. Denna teknik minskar kraftigt risken för ett fel under flygningen som orsakas av strukturell försämring av flygplan.
• Zyvex Technologies har också byggt ett 54 'maritimt fartyg, Piranha Unmanned Surface Vessel , som en teknologisk demonstrator för vad som är möjligt med hjälp av CNT -teknik. CNT hjälper till att förbättra fartygets strukturella prestanda, vilket resulterar i en lätt 8000 lb båt som kan bära en nyttolast på 15 000 lb över en räckvidd på 2500 miles.

Kolnanorör kan fungera som tillsatser till olika konstruktionsmaterial. Till exempel bildar nanorör en liten del av materialet i vissa (främst kolfiber ) basebollträn, golfklubbor, bildelar eller damaskustål .

IBM förväntade sig att nanorörstransistorer av kol skulle användas på integrerade kretsar år 2020.

Potential

Styrkan och flexibiliteten hos kolnanorör gör dem potentiellt användbara vid kontroll av andra nanoskala strukturer, vilket tyder på att de kommer att ha en viktig roll inom nanoteknik . Den högsta draghållfastheten hos ett enskilt flerväggigt kolnanorör har testats till 63  GPa . Kolnanorör hittades i Damaskus -stål från 1600 -talet, vilket möjligen hjälpte till att redogöra för den legendariska styrkan i svärdet av det. Nyligen har flera studier belyst möjligheterna att använda kolnanorör som byggstenar för att tillverka tredimensionella makroskopiska (> 1 mm i alla tre dimensioner) kolanordningar. Lalwani et al. har rapporterat en ny radikalinitierad termisk tvärbindningsmetod till tillverkade makroskopiska, fristående, porösa, helt kol-ställningar som använder enkel- och flerväggiga kolnanorör som byggstenar. Dessa ställningar har makro-, mikro- och nanostrukturerade porer och porositeten kan skräddarsys för specifika tillämpningar. Dessa 3D-kol-byggnader/arkitekturer kan användas för tillverkning av nästa generations energilagring, superkondensatorer, fältemissionstransistorer, högpresterande katalys, solceller och biomedicinska anordningar och implantat.

CNT är potentiella kandidater för framtida via- och trådmaterial i nanoskala VLSI-kretsar. Eliminering av tillförlitligheten för elektromigrering som plågar dagens Cu-anslutningar , isolerade (enkel- och flerväggiga) CNT: er kan bära strömtätheter över 1000 MA/cm ² utan elektromigrationsskador.

Enväggiga nanorör är sannolikt kandidater för miniatyriserande elektronik. Den mest grundläggande byggstenen för dessa system är en elektrisk ledning, och SWNT: er med diametrar i storleksordningen nanometer kan vara utmärkta ledare. En användbar tillämpning av SWNT är i utvecklingen av de första intermolekylära fälteffekttransistorerna (FET). Den första intermolekylära logiska grinden användning SWCNT FET gjordes år 2001. En logisk grind kräver både en p-FET och en n-FET. Eftersom SWNT är p-FET när de utsätts för syre och n-FET annars, är det möjligt att utsätta hälften av en SWNT för syre och skydda den andra halvan från den. Den resulterande SWNT fungerar som en inte logisk gate med både p- och n-typ FET i samma molekyl.

Stora mängder rena CNT kan göras till ett fristående ark eller film genom ytkonstruktionstejpteknik (SETC) som är en skalbar metod för att tillverka flexibla och vikbara ark med överlägsna egenskaper. En annan rapporterad formfaktor är CNT -fiber (aka filament) genom våtspinning . Fibern roteras antingen direkt från syntesgrytan eller spinns från färdiga upplösta CNT. Enskilda fibrer kan förvandlas till ett garn . Förutom styrkan och flexibiliteten är den största fördelen att göra ett elektriskt ledande garn . De elektroniska egenskaperna hos enskilda CNT-fibrer (dvs bunt av individuellt CNT) styrs av den tvådimensionella strukturen för CNT. Fibrerna uppmättes att ha en resistivitet endast en storleksordning högre än metalliska ledare vid 300K. Genom att ytterligare optimera CNT- och CNT -fibrerna kan CNT -fibrer med förbättrade elektriska egenskaper utvecklas.

CNT-baserade garner är lämpliga för applikationer inom energi och elektrokemisk vattenbehandling när de är belagda med ett jonbytarmembran . Dessutom kan CNT-baserade garner ersätta koppar som ett lindningsmaterial . Pyrhönen et al. (2015) har byggt en motor med CNT -lindning.

Säkerhet och hälsa

Den NIOSH (NIOSH) är den ledande USA federala byrån bedriva forskning och ge vägledning om arbetarskydds konsekvenser och tillämpningar av nanomaterial. Tidiga vetenskapliga studier har visat att partiklar i nanoskala kan utgöra en större hälsorisk än bulkmaterial på grund av en relativ ökning av ytarea per massenhet. De biologiska interaktionerna mellan nanorör är inte väl förstådda, och fältet är öppet för fortsatta toxikologiska studier. Det är ofta svårt att skilja samman förvirrande faktorer, och eftersom kol är relativt biologiskt inert, kan en del av toxiciteten som tillskrivs kolnanorör i stället bero på kvarvarande metallkatalysatorkontaminering. I tidigare studier har endast Mitsui-7 visat sig vara cancerframkallande, men av oklara/okända skäl. Till skillnad från många vanliga mineralfibrer (till exempel asbest) passar de flesta SWCNT och MWCNT inte till kriterierna för storlek och bildförhållande för att klassificeras som andningsbara fibrer. Under 2013, med tanke på att de långsiktiga hälsoeffekterna ännu inte har mätts, publicerade NIOSH en Current Intelligence Bulletin som beskriver de potentiella farorna och den rekommenderade exponeringsgränsen för kolnanorör och fibrer.

Från och med oktober 2016 har enväggiga kolnanorör registrerats genom Europeiska unionens föreskrifter för registrering, utvärdering, auktorisering och begränsning av kemikalier (REACH), baserat på utvärdering av de potentiellt farliga egenskaperna hos SWCNT. Baserat på denna registrering är SWCNT -kommersialisering tillåten i EU upp till 10 ton. För närvarande är den typ av SWCNT som registreras genom REACH begränsad till den specifika typen av enväggiga kolnanorör tillverkade av OCSiAl , som lämnade in ansökan.

Historia

Den sanna identiteten för upptäckarna av kolnanorör är föremål för viss kontrovers. En redaktionell 2006 skriven av Marc Monthioux och Vladimir Kuznetsov i tidskriften Carbon beskrev ursprunget till kolnanoröret. En stor andel av akademisk och populär litteratur tillskriver upptäckten av ihåliga, nanometerstora rör som består av grafitkol till Sumio Iijima från NEC 1991. Hans uppsats initierade en uppsjö av spänning och kan tillskrivas inspirationen till de många forskare som nu studerar tillämpningar av kolnanorör. Även om Iijima har fått mycket av äran för att upptäcka kolnanorör, visar det sig att tidslinjen för kolnanorör går mycket längre än 1991.

År 1952 publicerade LV Radushkevich och VM Lukyanovich tydliga bilder av 50 nanometer diameter rör gjorda av kol i Journal of Physical Chemistry Of Russia . Denna upptäckt var i stort sett obemärkt, eftersom artikeln publicerades på ryska, och västerländska forskares tillgång till sovjetisk press var begränsad under kalla kriget . Monthioux och Kuznetsov nämnde i sin Carbon -redaktion:

Faktum är att Radushkevich och Lukyanovich [...] bör krediteras för upptäckten att kolfilament kan vara ihåliga och ha en nanometerstorlek, det vill säga för upptäckten av kolnanorör.

1976 observerade Morinobu Endo från CNRS ihåliga rör av upprullade grafitark som syntetiserades med en kemisk ångväxtteknik. De första exemplen som observerades skulle senare bli kända som enväggiga kolnanorör (SWNT). Endo, i sin tidiga granskning av ångfasodlade kolfibrer (VPCF), påminde oss också om att han hade observerat ett ihåligt rör, linjärt utsträckt med parallella kolskiktytor nära fiberkärnan. Detta verkar vara observation av flerväggiga kolnanorör i mitten av fibern. De massproducerade MWCNT: erna idag är starkt relaterade till VPGCF som utvecklats av Endo. Faktum är att de kallar det "Endoprocessen", av respekt för hans tidiga arbete och patent.

År 1979 presenterade John Abrahamson bevis på kolnanorör vid den 14: e tvååriga konferensen för kol vid Pennsylvania State University . Konferensbrevet beskrev kolnanorör som kolfibrer som producerades på kolanoder under ljusbågsurladdning. En karaktärisering av dessa fibrer gavs, liksom hypoteser för deras tillväxt i en kväveatmosfär vid låga tryck.

År 1981 publicerade en grupp sovjetiska forskare resultaten av kemisk och strukturell karaktärisering av kolnanopartiklar producerade av en termokatalytisk disproportionering av kolmonoxid. Med hjälp av TEM-bilder och XRD- mönster föreslog författarna att deras "rörformiga kristallkristaller i kol" bildades genom att rulla grafenlager till cylindrar. De spekulerade på att via denna rullning är många olika arrangemang av grafen hexagonala nät möjliga. De föreslog två sådana möjliga arrangemang: cirkulärt arrangemang (fåtölj nanorör); och ett spiralformat, spiralformat arrangemang (kiralt rör).

1987 utfärdades Howard G. Tennent av Hyperion Catalysis ett amerikanskt patent för tillverkning av "cylindriska diskreta kolfibrer" med en "konstant diameter mellan cirka 3,5 och cirka 70 nanometer ..., längd 10 ² gånger diametern, och en yttre regionen av flera väsentligen kontinuerliga lager av ordnade kolatomer och en distinkt inre kärna .... "

Hjälp till att skapa den första spänningen i samband med kolnanorör var Iijimas upptäckt 1991 av flerväggiga kolnanorör i det olösliga materialet av bågbrända grafitstavar; och Mintmire, Dunlap och Whites oberoende förutsägelse att om enväggiga kolnanorör skulle kunna göras, skulle de uppvisa anmärkningsvärda ledande egenskaper. Nanorörsforskning accelererade kraftigt efter de oberoende upptäckterna av Iijima och Ichihashi vid NEC, och Bethune et al. hos IBM, av enväggiga kolnanorör, och metoder för att specifikt framställa dem genom att tillsätta övergångsmetallkatalysatorer till kolet i en ljusbågsurladdning. Bågurladdningstekniken var välkänd för att producera den berömda Buckminster fulleren i en förberedande skala , och dessa resultat tycktes förlänga körningen av oavsiktliga upptäckter relaterade till fullerener. Upptäckten av nanorör är fortfarande en omtvistad fråga. Många tror att Iijimas rapport 1991 är av särskild betydelse eftersom den förde kolnanorör in i det vetenskapliga samfundets hela medvetenhet.

År 2020, under arkeologisk utgrävning av Keezhadi i Tamilnadu , Indien , upptäcktes ~ 2500 år gammalt keramik vars beläggningar verkar innehålla kolnanorör. Nanorörens robusta mekaniska egenskaper är delvis varför beläggningarna har varat i så många år, säger forskarna.

Se även

Referenser

Denna artikel innehåller public domain text från National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) som citerat.

externa länkar

Scholia har en profil för kolnanorör (Q1778729) .

• Nanokarbon: Från grafen till Buckyballs . Interaktiva 3D -modeller av cyklohexan, bensen, grafen, grafit, kirala och icke -kirala nanorör och C60 Buckyballs - WeCanFigureThisOut.org.
• Nanotube -sajten . Senast uppdaterad 2013.04.12
• EU Marie Curie Network CARBIO: Multifunktionella kolnanorör för biomedicinska tillämpningar
• Kolnanorör på arxiv.org
• C ₆₀ och kolnanorör en kort video som förklarar hur nanorör kan tillverkas av modifierade grafitark och de tre olika typerna av nanorör som bildas
• Carbon nanorör & Buckyballs .
• Kolnanorörens underbara värld
• Inlärningsmodul för bandstruktur av kolnanorör och nanoribbon
• Hållbarhet för kolnanorör och deras potential att orsaka inflammation av Dr Megan Osmond och andra. (SafeWork Australia, maj 2011). Detta var ett samarbete mellan Institute of Occupational Medicine , Edinburgh University och CSIRO i Australien.
• Urval av gratis nedladdningsartiklar om kolnanorör
• Första datorn gjord av kolnanorör presenteras , BBC News 2013-09-25
• Forskning med kolnanorör för mikrofabrikation och i andra applikationer
• WOLFRAM Demonstrationsprojekt: Elektronisk bandstruktur för ett enväggigt kolnanorör med zonfällning
• WOLFRAM Demonstrationsprojekt: Elektronisk struktur av ett enväggigt kolnanorör i tättbindande Wannier-representation