Fortschritt und Perspektiven in der Kohlenstoff Nanotube-Welt

durch Professor Morinobu Endo

Professor Morinobu Endo, Lehrkörper der Technik und Institut der Kohlenstoff-Wissenschaft u. der Technologie, Shinshu-Universität, Japan
Entsprechender Autor: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

In den letzten zehn Jahren hat Nanotechnologie viele Aufmerksamkeit aus Gesellschaft als mögliche Quelle für neue Lösungen zu vielen der existierenden und auftauchenden Probleme der Welt erhalten. Einfach gesagt konnte Nanotechnologie die Fähigkeit zur Verfügung stellen, komplexe Lösungen auf einer Atom- und molekularen Schuppe besser zu verstehen und zu konstruieren. Der attraktivste Nanotechnologie-bedingte Nanomaterial wird als eindimensionale Kohlenstoff nanotubes betrachtet (CNT).

Geometrisch kann CNT sichtbar gemacht werden, indem man Blätter von graphene in ein langes hohles Röhrchen rollt. Die eindeutige Konfiguration dieses Materials teilt ausgezeichnete physikalisch-chemische Eigenschaften1zu. Zum Beispiel ist das Elastizitätsmodul von CNT steifer als sonstiges Material, während ihre Dehnfestigkeit 100mal ist, die vom Stahl. Maximale elektrische Stromdichte ist 100mal größer, als für Kupferdraht- und Ladungsträgerbeweglichkeit großes Versprechen Show CA2 105 cm/Vs. CNTs in den zahlreichen Anwendungen in naher Zukunft ist2 und die ausgezeichneten Eigenschaften von CNT bereits ihren Gebrauch in den kommerziellen erhältlichen Produkten ergeben haben.

Zur Zeit produzierte die Gesamtmenge von CNTs Handels- aus der ganzen Welt erreichte Tonne CA 1.000/Jahr. In diesem Sonderbeitrag wird die grundlegende Zelle von CNTs kurz beschrieben, sowie werden die spätesten Fortschritte in der Massenproduktion, vorhandene gewerbliche Nutzungen der nanotubes mit besonderer Betonung auf dem toxikologischen Punkt von CNTs wiederholt.

Was ist ein Kohlenstoff Nanotube?

CNT kann als Walzenblätter von graphene (Bienenwabengitter des Kohlenstoffes sp2) in einen Zylinder des nmgrößendurchmessers sichtbar gemacht werden (Fig. 1 (a)). Die Zelle von CNT ist in den frühen Jahren mit hochauflösender Transmissions-Elektronenmikroskopie (Fig. 1 (b)) erforscht worden3, und die Ergebnisse, die erzielt werden, decken, dass nanotubes nahtlose nanoscale Röhrchen sind, die vom Bienenwabengitter berechnet werden, das eine einzelne Atomschicht des kristallenen Graphits darstellt, andernfalls gekennzeichnet als ein graphene Blatt auf. Die Biegung der nanotubes enthält eine kleine Menge Masseverbindung sp3, damit die Kraftkonstante in der Umfangsrichtung etwas schwächer als entlang dem nanotube Schwerpunkt ist.

Abbildung 1. (a) CNT könnte indem man Blätter von graphene (Bienenwabengitter des Kohlenstoffes sp2) in einen Zylinder des nmgrößendurchmessers sichtbar gemacht werden, rollte. (b) Die Zelle von CNT ist früh durch hochauflösende Transmissions-Elektronenmikroskopie erforscht worden.

Da einzel-ummauertes Kohlenstoff nanotube (SWNT) nur ein Atom dick ist und eine geringe Anzahl Atome um seinen Umfang hat, nur einige Wellenvektoren erforderlich sind, die Periodizität der nanotubes zu beschreiben. Diese Beschränkungen führen zu Quantumsbeschränkung der Wellenfunktionen in den Radial- und Umfangsrichtungen, wenn der Antrag der ebenen Welle nur entlang dem nanotube Schwerpunkt auftritt, entsprechend einer großen Zahl oder räumlich knapp bemessenen erlaubten Wellenvektoren.

Kohlenstoff nanotubes können entweder metallisch oder Halbleiter sein, und ebenfalls können die einzelnen Bestandteile von Multiwand nanotubes oder von Einzelwand nanotube Bündeln metallisch oder Halbleiter sein4. Diese bemerkenswerten elektronischen Eigenschaften folgen von der elektronischen Zelle des 2D Graphits unter die Beschränkungen der Quantumsbeschränkung in der Umfangsrichtung.

Im Falle mehrwandiger Kohlenstoff nanotubes (MWNTs), die gewöhnlich einen Durchmesser weniger als herum 100 nm haben, wird das nicht graphitartige dreidimensionale Stapeln festgelegt5, selbst wenn ein einzelnes Shell der multi Schichten aus perfekten graphene Blättern besteht. Auch jedes Gefäß hat unterschiedliches und unabhängiges chirality, das möglicherweise zu einem größeren Intershell Abstand beitrüge, als im Graphit gefunden wird. Diese charakteristischen Zellen von einzel- und mehrwandigem CNTs zeigen an, dass sie eindeutige eindimensionale Materialien mit den elektronischen, chemischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften Faszinierens sind.

Industrielle Ebene-Produktion des Kohlenstoffes Nanotubes

Bis jetzt sind verschiedene synthetische Methoden für das Produzieren von CNTs berichtet worden (z.B., Lichtbogeneinleitung, Laser-Verdampfung und katalytisches chemisches Bedampfen (CVD)). Die dominierende neue Tendenz ist, CNTs unter Verwendung CVD-Anfluges zu synthetisieren, da diese Technik für die Massenproduktion von SWNTs und von MWNTs extrem nützlich ist. 3Indem man gleichzeitig Kohlenwasserstoffe und nanoscale führte, sind katalytische Partikel in der Gasphase in die Reaktionskammer, CNTs in großem Rahmen synthetisiert worden. 6

Wachsendes SWNTs und MWNTs in einem Reaktor ist vorgeschlagen worden und dieses bezieht die katalytische Absetzung von Kohlenwasserstoffen über der Oberfläche von Nano--groß Metallpartikeln und einer Dauerleistung durch den Partikel des gut organisiert Röhrchens sechseckigen sp2-carbon3,6mit ein. Der überzeugende Beweis dieser Annahme ist das Vorhandensein von katalytischen Partikeln an den Enden (Oberseite oder Wurzel) der Gefäße (Fig. 2 (Wechselstrom)). Im Falle der Massenproduktion von SWNTs, gab die Entwicklung des Hochdruckkohlenmonoxidprozesses Anstoß zur wissenschaftlichen Studie und zu den Anwendungen von SWNTs7.

Abbildung 2. zeigt das Vorhandensein von katalytischen Partikeln an den Enden der Gefäße.

Betreffend die Massenproduktion von MWNTs für industrielle Anwendungen, ist es wichtig, zu erwähnen dass Ende 1980, begonnene Produktion Showa-Denko Co. Ltd. und Hyperion Catalysis International, Inc. (Cambridge, MA) einiger Tonnen von katalytisch gewachsenem CNTs jährlich. Zur Zeit hat die Gesamtmenge des handelsüblichen MWNTs auf der ganzen Welt 1.000 Tonne/Jahr erreicht. Es wird erwartet, dass die globale Kohlenstoff-nanotube Einnahme im Jahre 2015 US$500 Million erreicht8. Der interessanteste Punkt ist, dass alle Firmen eine katalytische CVD-Methode für die Massenproduktion von MWNTs auswählten.

Anwendung des Kohlenstoffes Nanotubes

Wegen ihrer kleinen Abmessungen und ausgezeichneten physikalisch-chemischen Eigenschaften, CNTs sind für eine große Auswahl von Anwendungen vorgeschlagen worden. Einige der möglichen Anwendungen von CNT umfassen Multifunktionszusammensetzungen, elektrochemische Elektroden und/oder Zusätze, Bereichemitter sowie Nano--groß Halbleiterbauelemente2. CNTs werden auch als Einfüllstutzen in den Anoden- und Kathodenmaterialien von Lithiumionsekundärbatterien verwendet9,10.

MWNTs kann als Scannenfühler-Mikroskopspitzen verwendet werden, um hochauflösende Bilder zu erhalten und in naher Zukunft, wird dünnes MWNTs als Bereichemissionselektronenquellen für Flachbildschirme verwendet. Chemisch functionalized MWNTs geben auch eine hohe ermittlende Fähigkeit für die chemischen und biologischen Gruppen, die auf verschiedene Oberflächen einwirken.

Darüber hinaus sind CNTs ein idealer Kandidat für Einfüllstutzen in den Polymerzusammensetzungen. Der kleinste arbeitende zusammengesetzte Gang ist vorbereitet worden, indem man nanotubes in flüssiges Nylon mischte und dann in die kleine Form einspritzte. Dieses Stück weist eine hohe mechanische Festigkeit, hohen einen Abnutzungswiderstand und auch eine gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit auf. Weiterer Fortschritt muss durchgeführt werden, um dieses nanotube/Polymerzusammensetzungen, die zum Beispiel Optimierung von den Oberflächeneigenschaften, die homogene Streuung ohne körperlichen Schaden, die Entwicklung einer effektiven Ausrichtungsmethode (auch Bewertungsverfahren) und aufbereiten völlig zu verwenden.

Eine Supergummidichtungsmasse, die zum Widerstehen von hoher Temperatur und von Druck fähig ist, wurde erfolgreich von Professor Morinobu Endo und seine Kollegen am Institut der Kohlenstoff-Wissenschaft u. der Technologie fabriziert. Dieses wurde getan, indem man Oberfläche-geänderte nanotubes in Gummi enthielt11. Basiert auf unseren Schätzungen und nach dem Vermessen der Tiefe und der Temperatur von Ölvorkommen, trägt die Entwicklung einer Supergummitechnologie, die zum Widerstehen von 260°C unter MPa 239 des Drucks fähig ist, zu einer revolutionären Verbesserung in der Schmierölbergungs-Leistungsfähigkeit vom aktuellen 35% zu mehr als 70% bei, indem sie vorher unzugängliche Einlagen ausgräbt.

Eine Andere mögliche Anwendung von CNT ist in der Fälschung von den Superkondensatoren und von elektrochemischen Stellzylindern, die in den künstlichen Muskeln verwendet werden. Nanotube-Stellzylinder können an den Niederspannungen und an den Temperaturen funktionieren, die so hoch sind wie 350°C. Aktuell werden Superkondensatoren in Hybridfahrzeuge enthalten, da sie schnelle Beschleunigung zur Verfügung stellen und brechende Energie elektrisch speichern konnten.

Die Möglichkeit der Anwendung von CNTs als nanowires liegt an ihrem beobachteten ballistischen Transport beabsichtigtes. Für die Fälschung von nanotube Bereicheffekttransistoren, wurden SWNTs an Metall-Nano-elektroden angeschlossen. Die Leistung ist im Hinblick auf Schaltverzögerung wegen ihrer niedrigen Kapazitanz ausgezeichnet. Ein inhärentes Problem, das mit CNT verbunden ist, liegt in der Schwierigkeit, wenn es sie manipuliert. Von einem Handelsstandpunkt wird weiterer technischer Fortschritt, wie selektives Wachstum von nanotubes unter Verwendung der Selbstbautechniken gefordert.

Kohlenstoff Nanotube Biocompatibility

Viel Aufmerksamkeit war auf der Giftigkeit von CNTs wegen ihrer nanoscale Abmessung und ihrer morphologischen Merkmale zahlend, die der des Asbests ähnlich sind12,13. Deshalb ist toxikologischer Beweis von CNT, Gefahren und berufliche Störungen in den Arbeitskräften zu verhindern stark erforderlich und ihren sicheren Gebrauch in den Konsumgütern zu fördern. Unsere Vorstudie auf der biologischen Antwort von CNTs zeigt an, dass ihre mögliche giftige Natur beträchtlich niedrig ist14,15. Jedoch muss ein gründlicheres und eine Langzeituntersuchung geleitet werden, um die giftige Art von verschiedenen Baumustern von CNTs wie direkter Aspiration von Gefäßen in den menschlichen Lungen zu bestimmen.

Aussicht

Diese kleinen, schwarzen und Röhren-artigen Nanomaterials ändern die Methode, die wir leben, arbeiten und in Verbindung stehen. Viele CNT-berechneten Produkte sind bereits gebräuchlich und ihre Entwicklungsfähigkeit hängt stark vom Erfolg ihrer Kommerzialisierung ab.

Vor der Berücksichtigung des Gebrauches CNTs in den Handelsprodukten als Erfolg, mindestens, müssen vier Hindernisse entschlossen sein:

   1. Wie man hohen Reinheitsgrad CNTs als metallische Verunreinigungen bleiben Sie häufig nachdem der Fälschungsprozeß erreicht, der giftige Eigenschaften verursachen kann.
   2. Wie man diese kleinen Materialien manipuliert.
   3. Wie man das chirality von CNT steuert.
   4. Der wichtigste aber kritischste „Sicherheits“ Punkt muss erklärt werden basierte auf den langfristigen und systematischen biologischen Studien.

Umfangreiche und steigernde Bemühungen in der Akademie und in der Industrie suchen nach einer Lösung zu diesen Hindernissen und sobald eine Lösung erreicht worden ist, spielt CNTs eine wichtige Schlüsselrolle als innovatives Material von Jahrhundertst 21 in einigen industriellen Prozessen.

Wir haben über dem ersten Berg der Wissenschaft, dem zweiten Berg der Technologie und dem dritten Berg der Wirtschaftlichkeit hinaus erreicht, indem wir erfolgreich CNTs in großem Rahmen zu den angemessenen Kosten produzierten (Feige. 3). Jetzt bemühen uns wir, den Berg der Gesellschaft zu steigen. Indem wir Informationen über Gefahren und Nutzen von CNTs mit allen Verwahrern teilen, erreichen wir schließlich die Oberseite eines nanotube Berges und CNT zu prüfen ist ein innovatives Material für das Jahrhundertst 21.

Abbildung 3. Kohlenstoff nanotube als führendes der Nanotechnologie muss über die vier Berge als innovative und grundlegende Technologie von Jahrhundert 21st hinausgehen. Weltweite Zusammenarbeit auf Wissenschaft ist die Schlüsselfrage für den Erfolg.

Quittung

Diese Arbeit war im Teil, das durch die Bewilligungen des CLUSTERS (zweite Etappe) unterstützt wurde und MEXT (Keine 19002007), Japan.


Bezüge

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Copyright AZoNano.com, Professor Morinobu Endo (Shinshu-Universität)

Date Added: Jun 23, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:24

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