Shkenca dhe teknologjia e nanotubit të karbonit

Historia

Interesi i tanishëm i madh në nanotubet e karbonit është një pasojë e drejtpërdrejtë e sintezës së buckminsterfullerene, C60 dhe fullerenes të tjera, në vitin 1985. Zbulimi se karboni mund të formojë struktura të qëndrueshme dhe të porositura, përveç grafit dhe diamantë, të stimuluar kërkues në mbarë botën për të kërkuar forma të tjera të reja e karbonit. Kërkimit iu dha një shtysë e re kur u shfaq në vitin 1990 se C60 mund të prodhohej në një aparat të thjeshta të avullimit me hark të gatshëm në dispozicion në të gjitha laboratorët. Ai po përdorte një avullues të tillë që shkencëtari japonez Sumio Iijima zbuloi nanotubet e karbonit në lidhje me fulleren në vitin 1991. Tubat përmbanin të paktën dy shtresa, shpesh shumë më tepër, dhe shkonin në diametër të jashtëm prej rreth 3 nm deri në 30 nm. Ata ishin të mbyllura pandërprerë në të dy anët.

Një mikrograf elektrik i transmetimit të disa nanotubave me shumë faqe është treguar në figurë (majtas). Në vitin 1993, një klasë e re e nanotube karbonit u zbulua, me vetëm një shtresë të vetme. Këto nanotube me një mur janë përgjithësisht më të ngushtë se tubat me shumë tuba, me diametra tipikë në intervalin 1-2 nm, dhe kanë tendencë të jenë të lakuar në vend të drejtpërdrejtë. Imazhi në të djathtë tregon disa tuba tipike me një mur. U zbulua së shpejti se këto fibra të reja kishin një sërë karakteristikash të jashtëzakonshme (shih më poshtë), dhe kjo nxiti një shpërthim kërkimi në nanotubet e karbonit. Është me rëndësi, megjithatë, të theksohet se tubat e karbonit të karbonit të prodhuar në mënyrë katalitike ishin njohur për shumë vite përpara zbulimit të Iijima. Arsyeja kryesore pse këto tuba të hershëm nuk ngjallin interes të gjerë është se ato ishin strukturalisht jo të papërsosur, kështu që nuk kishin prona veçanërisht interesante. Hulumtimet e fundit janë fokusuar në përmirësimin e cilësisë së nanotubeve të prodhuara katalitikisht.

Lidhja në nanotubet e karbonit është sp2, me çdo atom të bashkuar me tre fqinjët, si në grafit. Tubat mund të konsiderohen si fletë grafene të mbështjellura (grafeni është një shtresë grafiti individuale). Ekzistojnë tre mënyra të ndryshme në të cilat një fletë grafene mund të mbështetet në një tub, siç tregohet në diagramin e mëposhtëm.

Dy nga këto, të njohura si “kolltuk” (majtas lart) dhe “zig-zag” (majtas në mes) kanë një shkallë të lartë të simetrisë. Termat “kolltuk” dhe “zigzag” i referohen rregullimit të gjashtëkëndëshave rreth perimetrit. Klasa e tretë e tubit, e cila në praktikë është më e zakonshme, njihet si kiral, që do të thotë se mund të ekzistojë në dy forma të pasqyruara. Një shembull i një nanotube kirale shfaqet në pjesën e poshtme të majtë.

Struktura e një nanotube mund të përcaktohet nga një vektor, (n, m), i cili përcakton se si fleta e grafenit mbështetet. Kjo mund të kuptohet duke iu referuar figurës në të djathtë. Për të prodhuar një nanotube me indekset (6,3), thuhet, fleta është e mbështjellë në mënyrë që atomi i etiketuar (0,0) të mbivendoset në atë të etiketuar (6,3). Mund të shihet nga figura që m = 0 për të gjitha tubat zigzag, ndërsa n = m për të gjitha tubat e kolltukëve

Sinteza

Metoda e avullimit të harkut, që prodhon nanotubet me cilësi më të mirë, përfshin kalimin e një rrymë prej rreth 50 amps midis dy elektrodave grafit në një atmosferë të heliumit. Kjo shkakton grafit të avullojë, disa prej të cilave kondensohen në muret e enës së reaksionit dhe disa prej tyre në katodë. Është depozita në katodë e cila përmban nanotubet e karbonit. Nanotubes me një mur janë prodhuar kur Co dhe Ni ose ndonjë metal tjetër është shtuar në anode. Ajo ka qenë e njohur që nga vitet 1950, nëse jo më parë, që nanotubetat e karbonit mund të bëhen edhe duke kaluar një gaz që përmban karboni, si një hidrokarbur, mbi një katalizator. Katalizatori përbëhet nga grimca nanometrike të metaleve, zakonisht Fe, Co ose Ni. Këto grimca katalizojnë ndarjen e molekulave të gazta në karbon, dhe një tub pastaj fillon të rritet me një grimcë metalike në majë. U zbulua në vitin 1996 që nanotubet me një mur mund të prodhohen gjithashtu në mënyrë katalitike. Përsosja e nanotubeve të karbonit të prodhuara në këtë mënyrë ka qenë përgjithësisht më e dobët se ato të bëra nga avullimi i harkut, por përmirësime të mëdha në teknikë janë bërë vitet e fundit. Avantazhi i madh i sintezës katalitike mbi avullimin e harkut është se ai mund të shkallëzohet për prodhimin e vëllimit. Metoda e tretë e rëndësishme për të bërë nanotubet e karbonit përfshin përdorimin e një lazeri të fuqishëm për të avulluar një objekt metalik-grafit. Kjo mund të përdoret për të prodhuar tuba me një mur me prodhim të lartë.

Vetitë

Fuqia e lidhjeve karbon-karbon të karbonit të karbonit i jep nanotubeve të karbonit vetitë mahnitëse mekanike. Ngurtësia e një materiali matet në aspektin e modulit të Young-it, shkalla e ndryshimit të stresit me tendosjen e aplikuar. Moduli i Young-it i nanotubeve më të mira mund të jetë aq i lartë sa 1000 GPa që është përafërsisht 5x më i lartë se çeliku. Forca elastike ose thyerja e nanotubeve mund të jetë deri në 63 GPa, rreth 50 herë më e lartë se çeliku. Këto vetitë, të shoqëruara me lehtësinë e nanotubeve të karbonit, u jep atyre potencial të madh në aplikime të tilla si hapësira ajrore. Është sugjeruar madje se nanotubes mund të përdoren në “ashensor hapësinor”, një kabllo Tokë-hapësirë ​​të propozuar së pari nga Arthur C. Clarke. Vetitë elektronike të nanotubeve të karbonit janë gjithashtu të jashtëzakonshme. Veçanërisht i dukshëm është fakti që nanotubet mund të jenë metalike ose gjysmëpërçuese në varësi të strukturës së tyre. Kështu, disa nanotube kanë sjellje më të larta se ato të bakrit, ndërsa të tjerët sillen më shumë si silic. Ekziston një interes i madh për mundësinë e ndërtimit të pajisjeve elektronike nanoscale nga nanotubes, dhe disa përparime janë bërë në këtë fushë. Megjithatë, në mënyrë që të ndërtojmë një pajisje të dobishme ne do të duhet të organizojmë mijëra nanotubesa në një model të përcaktuar dhe ende nuk kemi nivelin e kontrollit të nevojshëm për ta arritur këtë. Ekzistojnë disa fusha të teknologjisë ku nanotubet e karbonit tashmë janë duke u përdorur. Këto përfshijnë ekranet e paneleve të sheshtë, mikroskopët e skanimit të sondave dhe pajisjet e ndjeshmërisë. Vetitë unike të nanotubeve të karbonit padyshim do të çojnë në shumë aplikime të tjera.

Nanohorns

Koni të karbonit me një mur me morfologji të ngjashme me ato të kapakëve të nanotubit u përgatitën për herë të parë nga Peter Harris, Edman Tsang dhe kolegët e tij në 1994 (kliko këtu për të parë gazetën tonë). Ato u prodhuan nga trajtimet e ngrohjes me temperaturë të lartë të bollëkut të plotë – kliko këtu për të parë një imazh tipik. Grupi i Sumio Iijima më pas tregoi se ato gjithashtu mund të prodhoheshin me ablacion lazer të grafit, dhe u dha atyre emrin “nanohorns”. Ky grup ka treguar se nanohorns kanë pronat e shquara adsorptive dhe katalitike.

ORIGINAL SOURCE: http://www.personal.reading.ac.uk/~scsharip/tubes.htm