Углеродные нанотрубки

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Это старая версия этой страницы, сохранённая 128.68.192.150 (обсуждение) в 17:42, 14 ноября 2017 (Оформление классификации УНТ. Указание на распространенную ошибку в русскоязычной литературе, распространившуюся из обзора А.В. Елецкого.). Она может серьёзно отличаться от текущей версии.
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схематическое изображение нанотрубки

Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров[1] (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины[2]), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена[3].

Типы нанотрубок

Структура нанотрубок

Для получения нанотрубки (n, m), графеновую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R.

Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графеновую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графеновой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики[4].

Хиральность нанотрубок обозначается набором символов (m, n), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат.

Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла α между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. При этом выбирается наименьший угол, такой что 0° ≤ α ≤ 30°. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диаметр[5].

Индексы хиральности однослойной нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют её диаметр D. Указанная связь имеет следующий вид:

,

где = 0,142 нм — расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости. Связь между индексами хиральности (m, n) и углом α даётся соотношением:

.

На основе индексов хиральности нанотрубки разделяют на 3 типа:

  • m = n - «кресло» или «зубчатые» (armchair), α = 30°
  • m = 0 - зигзагообразные (zigzag), α = 0°
  • m ≠ n - хиральные

В русскоязычной литературе встречается ошибочное приписывание зубчатым нанотрубкам α = 0°, зигзагообразным трубкам α = 30° и (2n, n).

Одностенные нанотрубки

Структура одностенных (single-walled) нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы[6].

Особое место среди одностенных нанотрубок занимают так называемые armchair-нанотрубки или нанотрубки с хиральностью (10, 10). В нанотрубках такого типа две из С-С-связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической структурой[7].

Одностенные нанотрубки применяются в литий-ионных аккумуляторах, углепластиковых материалах, автомобильной промышленности. В кислотно-свинцовых аккумуляторах добавление одностенных нанотрубок значительно увеличивает число циклов перезарядки. У одностенных углеродных нанотрубок коэффициент прочности ГПа, а у стали ГПа[8].

Промышленная технологии синтеза одностенных углеродных нанотрубок OCSiAl, разработанная академиком РАН Михаилом Предтеченским, позволяет получать нанотрубки исключительно высокого качества и предлагать их на мировой рынок по цене, впервые делающей их применение в индустрии экономически доступным[9][10].

Многостенные нанотрубки

Многостенные (multi-walled) нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении.

Структура типа «матрёшки» (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур напоминает свиток (scroll). Для всех структур на рис. характерно значение расстояния между соседними графеновыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита[11].

Реализация той или иной структуры многостенных нанотрубок в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза. Анализ имеющихся экспериментальных данных указывает, что наиболее типичной структурой многостенных нанотрубок является структура с попеременно расположенными по длине участками типа «русской матрёшки» и «папье-маше». При этом «трубки» меньшего размера последовательно вложены в трубки большего размера[11]. В пользу такой модели говорят, например, факты по интеркалированию калия или хлорида железа в «межтрубочное» пространство и образование структур типа «бусы».

История открытия

Фуллерен (C60) был открыт группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 г.[12], за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многостенных нанотрубок Иидзимой в 1991 г.[13], существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др.[14] опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. Группа ученых Института катализа СО АН СССР в 1977 году при изучении зауглероживания железохромовых катализаторов дегидрирования под микроскопом зарегистрировали образование «пустотелых углеродных дендритов»[15], при этом был предложен механизм образования и описано строение стенок. В 1992 в Nature[16] была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича[17] сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены. В 2006 г, углеродные нанотрубки были обнаружены в дамасской стали[18].

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе[19] химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и др.[20], вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов, профессор кафедры органической химии Киевского национального университета, не только предсказал существования одностенных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости[21].

Впервые возможность образования наночастиц в виде трубок была обнаружена для углерода. В настоящее время подобные структуры получены из нитрида бора, карбида кремния, оксидов переходных металлов и некоторых других соединений. Диаметр нанотрубок варьируется от одного до нескольких десятков нанометров, а длина достигает нескольких микрон.

Структурные свойства

  • упругие свойства; дефекты при превышении критической нагрузки:
    • в большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки — с образованием пентагона или септагона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, то есть с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга (дефект Стоуна — Уэйлса) — это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб.
  • открытые и закрытые нанотрубки

Электронные свойства нанотрубок

Электронные свойства графитовой плоскости

Все точки K первой зоны Бриллюэна отстоят друг от друга на вектор трансляции обратной решётки, поэтому все они на самом деле эквивалентны. Аналогично, эквивалентны все точки K'.

Спектр углеродной плоскости в первой зоне Бриллюэна. Показана только часть E(k)>0, часть E(k)<0 получается отражением в плоскости kx, ky.
  • Дираковские точки (См. подробнее Графен)

Графит — полуметалл, что видно невооружённым глазом по характеру отражения света. Можно убедиться, что электроны p-орбиталей полностью заполняют первую зону Бриллюэна. Таким образом, оказывается, что уровень Ферми графитовой плоскости проходит точно по дираковским точкам, т. о. вся поверхность Ферми (точнее, линия в двумерном случае) вырождается в две неэквивалентные точки.

Если энергия электронов мало отличается от энергии Ферми, то можно заменить истинный спектр электронов вблизи дираковской точки на простой конический, такой же как спектр безмассовой частицы, подчиняющейся уравнению Дирака в 2+1 измерениях.

Преобразование спектра при сворачивании плоскости в трубку

Сверху: Дираковские точки в зонной структуре графена Снизу: Выделение в зонной структуре графена разрёшенных k-состояния в случае полупроводниковой (слева) и металлической (справа) углеродной нанотрубки.

Тип проводимости нанотрубок зависит от их хиральности, т.е. от группы симметрии, к которым принадлежит конкретная нанотрубка, причем он подчиняется простому правилу: если индексы нанотрубки равны между собой или же их разность делится на три, нанотрубка является полуметаллом, в любом другом случае они проявляют полупроводниковые свойства.

Происхождение этого явления в следующем. Графитовую плоскость (графен) можно представить в виде бесконечно протяженной, в то время как нанотрубку с известными оговорками как одномерной объект. Если представить нанотрубный графеновый фрагмент в виде его развертки на графитовый лист, то видно, что в направлении свертки трубки количество разрешенных волновых векторов уменьшается до значений, вполне определенных индексами хиральности (длина такого вектора k обратно пропорциональна периметру трубки). На рисунке показаны примеры разрешенных k-состояний металлической и полупроводниковой нанотрубки. Видно, что если разрешённое значение волнового вектора совпадает с точкой К, в зонной картине нанотрубки также будет существовать пересечение валентной зоны и зоны проводимости и нанотрубка, соответственно, будет проявлять полуметаллические свойства, а в другом случае – полупроводниковые[22].

  • Поведение спектра при приложении продольного магнитного поля

Учёт взаимодействия электронов

Сверхпроводимость в нанотрубках

Сверхпроводимость углеродных нанотрубок открыта исследователями из Франции и России (ИПТМ РАН, Черноголовка). Ими были проведены измерения вольт-амперных характеристик:

  • отдельной одностенной нанотрубки диаметром ~1 нм;
  • свёрнутого в жгут большого числа одностенных нанотрубок;
  • также индивидуальных многостенных нанотрубок.

При температуре, близкой к 4 К, между двумя сверхпроводящими металлическими контактами наблюдался ток. В отличие от обычных трёхмерных проводников, перенос заряда в нанотрубке имеет ряд особенностей, которые, судя по всему, объясняются одномерным характером переноса (как, например, квантование сопротивления R: см. статью, опубликованной в Science[23]).

Экситоны и биэкситоны в нанотрубках

Эксито́н (лат. excito — «возбуждаю»)— водородоподобная квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике или полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Хотя экситон состоит из электрона и дырки, его следует считать самостоятельной элементарной (не сводимой) частицей в случаях, когда энергия взаимодействия электрона и дырки имеет тот же порядок, что и энергия их движения, а энергия взаимодействия между двумя экситонами мала по сравнению с энергией каждого из них. Экситон можно считать элементарной квазичастицей в тех явлениях, в которых он выступает как целое образование, не подвергающееся воздействиям, способным его разрушить.

Биэкситон— связаное состояние двух экситонов. Представляет собой, фактически, экситонную молекулу.

Впервые идея о возможности образования экситонной молекулы и некоторые её свойства были описаны независимо С. А. Москаленко и М. А. Лампертом.

Образование биэкситона проявляется в оптических спектрах поглощения в виде дискретных полос, сходящихся в коротковолновую сторону по водородоподобному закону. Из такого строения спектров следует, что возможно образование не только основного, но и возбуждённых состояний биэкситонов.

Стабильность биэкситона должна зависеть от энергии связи самого экситона, отношения эффективных масс электронов и дырок и их анизотропии.

Энергия образования биэкситона меньше удвоенной энергии экситона на величину энергии связи биэкситона.

Оптические свойства нанотрубок

Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок (разность индексов хиральности не кратна трём) являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает углеродные нанотрубки в число материалов оптоэлектроники.

Мемристорные свойства нанотрубок

В 2009 г., Yao, Zhang и др.[24] продемонстрировали мемристор на основе однослойных горизонтально ориентированных углеродных нанотрубоках расположенных на диэлектрической подложке. Проявление мемристорного эффекта в представленной структуре было обусловлено взаимодействием УНТ с диэлектрической подложкой и захватом носителей заряда на границе раздела УНТ/SiO2.

В 2011 г., Vasu, Sampath и др.[25] обнаружили мемристорный эффект на массиве разориентированных многослойных углеродных нанотрубок. Было установлено, что резистивное переключение в массиве обусловлено формированием проводящих каналов из УНТ ориентированных электрическим полем.

В 2013 г., Ageev, Blinov и др.[26] сообщили об обнаружении мемристорного эффекта на пучках вертикально ориентированных углеродных нанотрубок при исследовании методом сканирующей туннельной микроскопии. После, в 2015 г. эта же группа ученых показала[27] возможность резистивного переключения в индивидуальных вертикально ориентированных УНТ. Обнаруженный мемристорный эффект был основан на возникновении внутреннего электрического поля в УНТ при ее деформации.

Свойства интеркалированных нанотрубок

Возможные применения нанотрубок

  • Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.
  • Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.
  • Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
  • Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.
  • Оптические применения: дисплеи, светодиоды.
  • Медицина (в стадии активной разработки).
  • Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
  • Трос для космического лифта: нанотрубки, теоретически, могут держать огромный вес — до тонны на квадратный миллиметр. Однако получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор [28], из-за чего приходится использовать нити, сплетённые из относительно коротких нанотрубок, что уменьшает итоговую прочность.
  • Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные[29]
  • Искусственные мышцы. Путём введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой[30]
  • Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать её в механическую. Опыт показывает, что такие нити выдерживают более миллиона циклов скручивания/раскручивания со скоростью 12.500 об/мин или 1.200 циклов сжатия/растяжения в минуту без видимых признаков износа.[31] Такие нити могут применяться для выработки энергии из солнечного света.
  • Источники тока. Использование одностенных углеродных нанотрубок в качестве проводящей добавки в литий-ионных батареях позволяет увеличить процент активного материала в составе электрода, а значит – увеличить энергоемкость источника тока. Согласно исследованиям, с помощью нанотрубок TUBALL, производимых компанией OCSiAl, в призматических аккумуляторах 10 А·ч возможно добиться увеличения объемной энергоемкости на 10%[32][33]. В свою очередь, добавление 0,001 – 0,01% этих одностенных нанотрубок в пасту электрода свинцово-кислотных батарей позволяет увеличить срок службы аккумулятора в 4 раза, а также положительно влияет на другие его характеристики[34].
  • Одностенные углеродные нанотрубки являются универсальной проводящей добавкой. Низкие концентрации в общей массе материала – от 0,01% – придают электропроводность и улучшают физико-механические свойства пластиков, эластомеров, композитов и покрытий без негативного воздействия на цвет, реологические и иные характеристики[35].

Получение углеродных нанотрубок

Развитие методов синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) шло по пути снижения температур синтеза. После создания технологии получения фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры[36] . Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), первым идентифицировал эти структуры как нанотрубки. К высокотемпературным методам получения УНТ относится электродуговой метод. Если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные УНТ с диаметром 15-20 нм и длиной более 1 мкм.

Формирование УНТ из фуллереновой сажи при высокотемпературном тепловом воздействии на сажу впервые наблюдали Оксфордская[37] и Швейцарская группы[38]. Установка для электродугового синтеза металлоемка, энергозатратна, но универсальна для получения различных типов углеродных наноматериалов. Существенной проблемой является неравновесность процесса при горении дуги. Электродуговой метод в своё время пришел на смену метода лазерного испарения (абляции) лучом лазера. Установка для абляции представляет собой обычную печь с резистивным нагревом, дающую температуру 1200°С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на неё лазерный луч, попеременно сканируя всю поверхность мишени. Так группа Смолли, используя дорогостоящие установки с короткоимпульсным лазером, получила в 1995 г. нанотрубки, «значительно упростив» технологию их синтеза[39].

Однако, выход УНТ оставался низким. Введение в графит небольших добавок никеля и кобальта (по 0.5 ат.%) позволило увеличить выход УНТ до 70-90%[40]. С этого момента начался новый этап в представлении о механизме образования нанотрубок. Стало очевидным, что металл является катализатором роста. Так появились первые работы по получению нанотрубок низкотемпературным методом — методом каталитического пиролиза углеводородов (CVD), где в качестве катализатора использовались частицы металла группы железа. Один из вариантов установки по получению нанотрубок и нановолокон CVD методом представляет собой реактор, в который подается инертный газ-носитель, уносящий катализатор и углеводород в зону высоких температур.

Упрощенно механизм роста УНТ заключается в следующем. Углерод, образующийся при термическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла. При достижении высокой концентрации углерода в частице на одной из граней частицы-катализатора происходит энергетически выгодное «выделение» избыточного углерода в виде искаженной полуфуллереновой шапочки. Так зарождается нанотрубка. Разложившийся углерод продолжает поступать в частицу катализатора, и для сброса избытка его концентрации в расплаве нужно постоянно избавляться от него. Поднимающаяся полусфера (полуфуллерен) с поверхности расплава увлекает за собой растворенный избыточный углерод, атомы которого вне расплава образуют связь С-С, представляющую собой цилиндрический каркас-нанотрубку.

Температура плавления частицы в наноразмерном состоянии зависит от её радиуса. Чем меньше радиус, тем ниже температура плавления, вследствие эффекта Гиббса-Томпсона[41]. Поэтому, наночастицы железа, с размером порядка 10 нм находятся в расплавленном состоянии ниже 600°С. На данный момент осуществлен низкотемпературный синтез УНТ методом каталитического пиролиза ацетилена в присутствии частиц Fe при 550°С. Снижение температуры синтеза имеет и негативные последствия. При более низких температурах получаются УНТ с большим диаметром (около 100 нм) и сильно дефектной структурой типа «бамбук» или «вложенные наноконусы». Полученные материалы состоят только из углерода, но к экстраординарным характеристикам (например, модуль Юнга) наблюдаемым у одностенных углеродных нанотрубок, получаемых методом лазерной абляции или электродуговым синтезом, они даже близко не приближаются.

CVD является более управляемым методом, позволяющим контролировать местоположение роста и геометрические параметры углеродных трубок[[42]] на любых видах подложек. Для того чтобы получить массив УНТ на поверхности подложки, прежде на поверхности формируют частицы катализатора за счет конденсации чрезвычайно небольшого его количества. Формирование катализатора возможно с помощью методов химического осаждения из раствора, содержащих катализатор, термическим испарением, распылением ионным пучком или магнетронным распылением. Незначительные вариации количества конденсируемого вещества на единицу площади поверхности вызывают значительного изменения размера и количества каталитических наночастиц и, следовательно, приводит к образованию УНТ, отличающихся по диаметру и высоте на различных участках подложки. Управляемый рост УНТ возможен в том случае, если использовать в качестве катализатор в виде сплава Ct-Me-N, где Сt (катализатор) выбирается из группы Ni, Co, Fe, Pd; Me (связующий металл) - выбирается из группы Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Re; N (азот). Привлекательность данного процесса роста УНТ на пленках сплавов каталитического металла с металлами V-VII групп Периодической таблицы элементов состоит в широком наборе факторов для управления процессом, что позволяет управлять параметрами массивов УНТ, такими как высота, плотность, диаметр. При использовании пленок сплавов рост УНТ возможен на тонких пленках различной толщины и проводимости. Всё это делает возможность встраивания данного процесса в интегрированные технологии [43].

Волокна из углеродных трубок

Для практического применения УНТ в настоящее время ищется способ создания на их основе протяжённых волокон, которые в свою очередь можно будет сплести в многожильный провод. Уже удалось создать из углеродных нанотрубок протяженные волокна, которые обладают высокой электропроводностью и превосходящей сталь прочностью[44].

Токсичность нанотрубок

Результаты экспериментов, проведённых в последние годы, показали, что длинные многостенные углеродные нанотрубки (МНТ) могут вызвать отклик, аналогичный асбестовым волокнам. У людей, занятых на добыче и переработке асбеста, вероятность возникновения опухолей и рака лёгких в несколько раз больше, чем у основного населения. Канцерогенность волокон разных видов асбеста весьма различна и зависит от диаметра и типа волокон. Благодаря своему малому весу и размерам, углеродные нанотрубки проникают в дыхательные пути вместе с воздухом. В итоге они концентрируются в плевре. Мелкие частицы и короткие нанотрубки выходят через поры в грудной стенке (диаметр 3—8 мкм), а длинные нанотрубки могут задерживаться и со временем вызвать патологические изменения.

Сравнительные эксперименты по добавке одностенных углеродных нанотрубок (ОНТ) в пищу мышей показали отсутствие заметной реакции последних в случае нанотрубок с длиной порядка микрон. При этом эксперимент по добавлению многостенных углеродных нанотрубок в пищу мышей показал, что в этом случае происходят значительные изменения в тонкой структуре ворсиной тонкой кишки в виде увеличения числа деструктированных ворсин и пролиферации эпителиоцитов[45].

В 2016 году европейские эксперты провели ряд исследований природы и свойств одностенных углеродных нанотрубок и разработали рекомендации по конкретным методам работы с ними. В результате нанотрубки TUBALL, производимые компанией OCSiAl в Новосибирске, стали первыми ОНТ, зарегистрированными в соответствии с регламентом Европейского союза REACH и разрешенными к производству и использованию в Европе в промышленных масштабах – до 10 тонн ежегодно[46].    

Очистка от катализаторов

Наноразмерные металлические катализаторы являются важными компонентами многих эффективных методов синтеза УНТ и в особенности для CVD-процессов. Они также позволяют в некоторой степени контролировать структуру и хиральность получаемых УНТ.[47] Во время синтеза катализаторы могут конвертировать углеродсодержащие соединения в трубчатый углерод, при этом они сами как правило становятся частично закапсулированны графитизированными слоями углерода. Таким образом, они могут стать частью результируемого УНТ-продукта.[48] Такие металлические примеси могут быть проблематичными для многих применений УНТ. Катализаторы как Никель, Кобальт или Иттрий могут вызвать к примеру, токсикологические проблемы.[49] В то время как незакапсулированные катализаторы сравнительно легко вымываются минеральными кислотами, закапсулированные катализаторы требуют предварительной окислительной обработки для вскрытия покрывающей оболочки катализаторов.[50] Эффективное удаление катализаторов, особенно закапсулированных, с сохранением структуры УНТ представляет собой сложную и трудоёмкую процедуру. Многие варианты очистки УНТ уже были изучены и индивидуально оптимизированы с учётом качества используемых УНТ.[51][52] Новый подход к очистке УНТ, дающий возможность одновременно вскрывать и выпаривать закапсулированные металлические катализаторы является чрезвычайно быстрый нагрев УНТ и его примесей в термической плазме.[53]

Примечания

  1. ↑ Laboratory Grows World Record Length Carbon Nanotube
  2. ↑ Spinning nanotube fibers at Rice University - YouTube. Дата обращения: 27 января 2013.
  3. ↑ УФН, Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства, А. В. Елецкий, апрель 2002 г., т. 172, № 4, ст. 401
  4. ↑ Углеродные нанотрубки, А. В. Елецкий, УФН, сентябрь 1997г, т. 167, № 9, ст. 954
  5. ↑ Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства, А. В. Елецкий, УФН, апрель 2002 г., т. 172, № 4, ст. 403
  6. ↑ Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства, А. В. Елецкий, УФН, апрель 2002 г., т. 172, № 4, ст. 404
  7. ↑ Углеродные нанотрубки, А. В. Елецкий, УФН, сентябрь 1997 г., т. 167, № 9, ст. 955
  8. ↑ Александр Грек Огонь, вода и нанотрубки // Популярная механика. — 2017. — № 1. — С. 39—47.
  9. ↑ Low-cost scalable production and applications of single-walled carbon nanotubes «  SF Bay Area Nanotechnology Council (амер. англ.). sites.ieee.org. Дата обращения: 21 сентября 2017.
  10. ↑ OCSiAl. ocsial.com. Дата обращения: 21 сентября 2017.
  11. ↑ 1 2 Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства, А. В. Елецкий, УФН, апрель 2002 г., т. 172, № 4, ст. 408
  12. ↑ H.W. Kroto, J.R.Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley, C60: Buckminsterfullerene, Nature 318 162 (1985)
  13. ↑ S. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature 354 56 (1991)
  14. ↑ A. Oberlin, M. Endo, and T. Koyama. High resolution electron microscope observations of graphitized carbon fibers Carbon, 14, 133 (1976)
  15. ↑ Буянов Р. А., Чесноков В. В., Афанасьев А. Д., Бабенко В. С. Карбидный механизм образования углеродистых отложений и их свойства на железохромовых катализаторах дегидрирования//Кинетика и катализ 1977. Т. 18. С. 1021.
  16. ↑ J.A.E. Gibson. Early nanotubes? Nature, 359, 369 (1992)
  17. ↑ Л. В. Радушкевич и В. М. Лукьянович. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте. ЖФХ, 26, 88 (1952)
  18. ↑ Углеродные нанотрубки в дамасской стали
  19. ↑ D. E. H. Jones (Daedalus). New Scientist 110 80 (1986)
  20. ↑ З. Я. Косаковская, Л. А. Чернозатонский, Е. А. Фёдоров. Нановолоконная углеродная структура. Письма в ЖЭТФ 56 26 (1992)
  21. ↑ М. Ю. Корнилов. Нужен трубчатый углерод. Химия и жизнь 8 (1985)
  22. ↑ Чернозатонский Л. А. Сорокин П. Б. Углеродные нанотрубки: от фундаментальных исследований к нанотехнологиям / Под. ред. Ю.Н. Бубнова. — М.: Наука, 2007. — С. 154-174. — ISBN 978-5-02-035594-1.
  23. ↑ Science (Frank с сотр., Science, т. 280, с. 1744); 1998
  24. ↑ Yao, Jun; Jin, Zhong; Zhong, Lin; Natelson, Douglas; Tour, James M. (22 December 2009). "Two-Terminal Nonvolatile Memories Based on Single-Walled Carbon Nanotubes". ACS Nano. 3 (12): 4122—4126. doi:10.1021/nn901263e.
  25. ↑ Vasu, K.S.; Sampath, S.; Sood, A.K. (August 2011). "Nonvolatile unipolar resistive switching in ultrathin films of graphene and carbon nanotubes". Solid State Communications. 151 (16): 1084—1087. doi:10.1016/j.ssc.2011.05.018.
  26. ↑ Ageev, O. A.; Blinov, Yu F.; Il’in, O. I.; Kolomiitsev, A. S.; Konoplev, B. G.; Rubashkina, M. V.; Smirnov, V. A.; Fedotov, A. A. (11 December 2013). "Memristor effect on bundles of vertically aligned carbon nanotubes tested by scanning tunnel microscopy". Technical Physics (англ.). 58 (12): 1831—1836. doi:10.1134/S1063784213120025. ISSN 1063-7842.
  27. ↑ Ageev, O. A.; Blinov, Yu F.; Il’in, O. I.; Konoplev, B. G.; Rubashkina, M. V.; Smirnov, V. A.; Fedotov, A. A. (16 April 2015). "Study of the resistive switching of vertically aligned carbon nanotubes by scanning tunneling microscopy". Physics of the Solid State (англ.). 57 (4): 825—831. doi:10.1134/S1063783415040034. ISSN 1063-7834.
  28. ↑ Новости@Mail.Ru: Китайцы обошли всех — 18,5 сантиметров в длину
  29. ↑ Nano Letters: Flexible, Stretchable, Transparent Carbon Nanotube Thin Film Loudspeakers (29 октября 2008 г.)
  30. ↑ iScience.ru — Будущее уже здесь, в наших новостяхСозданы искусственные мышцы из углерода и парафина | iScience.ru - Будущее уже здесь, в наших новостях. Новости науки
  31. ↑ Electrically, Chemically, and Photonically Powered Torsional and Tensile Actuation of Hybrid Carbon Nanotube Yarn Muscles: http://www.sciencemag.org/content/338/6109/928 Science 16 November 2012: Vol. 338 no. 6109 pp. 928-932 DOI: 10.1126/science.1226762
  32. ↑ 360concept. A Step Forward in the Evolution of Battery Energy Density | Konstantin Tikhonov, OCSiAl | ees International (амер. англ.). www.ees-magazine.com. Дата обращения: 21 сентября 2017.
  33. ↑ SWCNT vs MWCNT and Nanofibers. Applications in Lithium-Ion Batteries and Transparent Conductive Films (PDF Download Available) (англ.). ResearchGate. Дата обращения: 21 сентября 2017.
  34. ↑ "Carbon nanotubes create 'spectacular' improvement in lead batteries". Batteries International (англ.). Дата обращения: 21 сентября 2017.
  35. ↑ A huge future for tiny tubes (брит. англ.). www.specchemonline.com. Дата обращения: 21 сентября 2017.
  36. ↑ Iijima S, Nature (London) 354 56 (1991).
  37. ↑ Peter J. F. Harris at all. «High-resolution Electron Microscopy Studies of a Microporous Carbon produced by Arc-evaporation» // J. CHEM. SOC. FARADAY TRANS.,90(18), pp 2799—2802, (1994).
  38. ↑ W. A. de Heer and D. Ugarte. «Carbon Onions Produced by Heat Treatment of Carbon Soot and Their Relation to the 217.5 nm Interstellar Absorption Feature» // Chem. Phys. Lett. 207, (1993) 480—486.
  39. ↑ Guo T, Nikolaev P, Rinzler D, Tomanek D.T, Colbert D.T, Smalley R. «Self-Assembly of Tubular Fullerenes» // J. Phys. Chem. 99: 10694-7 (1995).
  40. ↑ V. Ivanov at all. «Catalytic production and purification of nanotubules having fullerene-scale diameters». Carbon 33, 12, (1995) 1727—1738.
  41. ↑ P. R. Couchman and W. A. Jesser. «Thermodynamic theory of size dependence of melting temperature in metals». Nature 269, (1977) 481—483.
  42. ↑ Xu, F., Zhao, H., Tse, S.D. Carbon nanotube synthesis on catalytic metal alloys in methane/air counter flow diffusion flames (англ.) // Proceedings of the Combustion Institute : статья. — 2007. — Т. 31. — С. 1839-1847.
  43. ↑ Pawel Mierczynski, Sergey V. Dubkov, Sergey V. Bulyarskii, Alexander A. Pavlov, Sergey N. Skorik. Growth of Carbon Nanotube Arrays on Various CtxMey Alloy Films by Chemical Vapour Deposition Method // Journal of Materials Science & Technology. — doi:10.1016/j.jmst.2017.01.030.
  44. ↑ Углеродные нанотрубки заплели в электропроводное волокно
  45. ↑ Оценка влияния многослойных углеродных нанотрубок на морфофункциональное клеточное состояние тонкого кишечника мышей. cyberleninka.ru. Дата обращения: 21 сентября 2017.
  46. ↑ REACH Registration Completed for Single-Wall Carbon Nanotubes // PCI Magazine. — 2016. — 16 октября.
  47. ↑ Yamada T, Namai T, Hata K, Futaba DN, Mizuno K, Fan J; et al. (2006). "Size-selective growth of double-walled carbon nanotube forests from engineered iron catalysts". Nature Nanotechnology. 1: 131–136. doi:10.1038/nnano.2006.95. {{cite journal}}: Явное указание et al. в: |author= (справка)Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  48. ↑ MacKenzie KJ, Dunens OM, Harris AT (2010). "An updated review of synthesis parameters and growth mechanisms for carbon nanotubes in fluidized beds". Industrial & Engineering Chemical Research. 49: 5323–38. doi:10.1021/ie9019787.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  49. ↑ Jakubek LM, Marangoudakis S, Raingo J, Liu X, Lipscombe D, Hurt RH (2009). "The inhibition of neuronal calcium ion channels by trace levels of yttrium released from carbon nanotubes". Biomaterials. 30: 6351–6357. doi:10.1016/j.biomaterials.2009.08.009.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  50. ↑ Hou P-X, Liu C, Cheng H-M (2008). "Purification of carbon nanotubes". Carbon. 46: 2003–2025. doi:10.1016/j.carbon.2008.09.009.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  51. ↑ Ebbesen TW, Ajayan PM, Hiura H, Tanigaki K (1994). "Purification of nanotubes". Nature. 367: 519. doi:10.1038/367519a0.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  52. ↑ Xu Y-Q, Peng H, Hauge RH, Smalley RE (2005). "Controlled multistep purification of single-walled carbon nanotubes". Nano Letters. 5: 163–168. doi:10.1021/nl048300s.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  53. ↑ Meyer-Plath A, Orts-Gil G, Petrov S; et al. (2012). "Plasma-thermal purification and annealing of carbon nanotubes". Carbon. 50: 3934–3942. doi:10.1016/j.carbon.2012.04.049. {{cite journal}}: Явное указание et al. в: |author= (справка)Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)

См. также

Литература

Ссылки

Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Углеродные_нанотрубки&oldid=88989217