Progreso y Perspectivas en el Mundo de Nanotube del Carbón

por Profesor Morinobu Endo

Profesor Morinobu Endo, Facultad de Ingeniería e Instituto de la Ciencia y de la Tecnología, Universidad de Shinshu, Japón del Carbón
Autor Correspondiente: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

Durante la última década, la nanotecnología ha recibido lotes de atención dentro de sociedad como fuente potencial para las soluciones nuevas a muchos de los problemas existentes y emergentes del mundo. Puesta Simple, la nanotecnología podía proporcionar a la capacidad de entender y de diseñar mejor soluciones complejas en una escala atómica y molecular. El nanomaterial nanotecnologÃa-relacionado más atractivo se considera ser nanotubes unidimensionales del carbón (CNT).

Geométrico, CNT puede ser visualizado laminando las hojas del graphene en un túbulo hueco largo. La configuración única de este material comunica propiedades fisicoquímicas excelentes1. Por ejemplo, el módulo De Young de CNT es más derecho que cualquier otro material, mientras que su resistencia a la tensión es 100 veces que del acero. La densidad corriente eléctrica Máxima es 100 veces mayor que para la movilidad del cable de cobre y de portador está promesa de la demostración del CA2 105 cm/Vs. CNTs la gran en aplicaciones numerosas en un futuro próximo2 y las propiedades excelentes de CNT han dado lugar ya a su uso en productos disponibles comerciales.

Actualmente, la cantidad total de CNTs produjo comercialmente de todo el mundo la tonelada alcanzada/año del CA 1.000. En este documental, la estructura básica de CNTs se describe abreviadamente, así como los últimos avances de la producción en grande, las aplicaciones comerciales existentes de nanotubes se revisan con énfasis especial en la aplicación toxicológica CNTs.

¿Cuál es un Carbón Nanotube?

CNT se puede visualizar como hojas del balanceo del graphene (cedazo del panal del carbón sp2) en un cilindro del diámetro de la talla del nanómetro (Fig. 1 (a)). La estructura de CNT se ha explorado en los años con la microscopia electrónica de transmisión de alta resolución (Fig. 1 (b))3, y los resultados obtenidos revelan que los nanotubes son túbulos inconsútiles del nanoscale derivados del cedazo del panal que representa una única capa atómica del grafito cristalino, si no designado una hoja del graphene. La curvatura de los nanotubes incorpora una pequeña cantidad de la vinculación sp3 de modo que el constante de fuerza en la dirección circunferencial sea ligeramente más débil que a lo largo del eje del nanotube.

El Cuadro 1. (a) CNT podría ser visualizado laminando las hojas del graphene (cedazo del panal del carbón sp2) en un cilindro del diámetro de la talla del nanómetro. (b) La estructura de CNT ha sido explorada a principios de por microscopia electrónica de transmisión de alta resolución.

Puesto Que el nanotube único-emparedado del carbón (SWNT) es solamente un átomo densamente y tiene una pequeña cantidad de átomos alrededor de su circunferencia, sólo algunos vectores de onda son necesarios describir la periodicidad de los nanotubes. Estos apremios llevan al arresto del quantum de las funciones de onda en las direcciones radiales y circunferenciales, con el movimiento de onda de plano ocurriendo solamente a lo largo del eje del nanotube, correspondiente a un gran número o a vectores de onda permitidos de cerca espaciados.

Los nanotubes del Carbón pueden ser metálicos o semiconductores, y además los componentes individuales de los nanotubes de la multi-pared o de los manojos de un sólo recinto del nanotube pueden ser metálicos o semiconductores4. Estas propiedades electrónicas notables siguen de la estructura electrónica del 2.o grafito bajo apremios del arresto del quantum en la dirección circunferencial.

En el caso de los nanotubes multi-emparedados del carbón (MWNTs), que tienen típicamente un diámetro menos que alrededor 100 nanómetro, se establece el empilar tridimensional no grafítico5, aunque un shell individual de las capas multi consiste en las hojas perfectas del graphene. También, cada tubo tiene chirality diverso y independiente, que pudo contribuir a una separación más grande del inter-shell que se encuentra en grafito. Estas estructuras características de CNTs único y multi-emparedado indican que son materiales unidimensionales únicos con las propiedades electrónicas, químicas, mecánicas, y térmicas de la fascinación.

Producción de la Escala Industrial de Carbón Nanotubes

Hasta ahora, los diversos métodos sintetizados para producir CNTs han estado señalados (e.g., licenciamiento de arco, vaporización del laser y deposición de vapor químico catalítica (CVD)). La tendencia reciente dominante es sintetizar CNTs usando la aproximación del CVD puesto que esta técnica es extremadamente útil para la producción en grande de SWNTs y de MWNTs. 3Simultáneamente introduciendo los hidrocarburos y el nanoscale las partículas catalíticas en la fase de gas en el compartimiento de la reacción, CNTs se han sintetizado a gran escala. 6

SWNTs y MWNTs Crecientes en un reactor se ha propuesto y éste implica la deposición catalítica de hidrocarburos sobre la superficie de las partículas nano-clasificadas del metal y un rendimiento contínuo por la partícula del túbulo bien organizado de sp2-carbon hexagonal3,6. La prueba evidente de esta suposición es la presencia de partículas catalíticas en los extremos (parte superior o raíz) de los tubos (Fig. 2 (A.C.)). En el caso de la producción en grande de SWNTs, el revelado del proceso de alta presión del monóxido de carbono dio ímpetu al estudio y a las aplicaciones científicos de SWNTs7.

El Cuadro 2. muestra la presencia de partículas catalíticas en los extremos de los tubos.

En Relación Con la producción a granel de MWNTs para las aplicaciones industriales, es importante mencionar que a finales de 1980, producción comenzada Co. Ltd de Showa-Denko y de Hyperion Catalysis International, Inc. (Cambridge, MA) de varias toneladas de CNTs catalítico anualmente crecido. Actualmente, la cantidad total del MWNTs disponible en el comercio en todo el mundo ha alcanzado 1.000 toneladas/año. Se prevee que los ingresos globales del carbón-nanotube alcancen en 2015 US$500 millón8. La punta más interesante es que todas las compañías seleccionaron un método catalítico del CVD para la producción en grande de MWNTs.

Aplicación del Carbón Nanotubes

Debido a sus pequeñas dimensiones y propiedades fisicoquímicas excelentes, CNTs se han propuesto para una amplia gama de aplicaciones. Algunas de las aplicaciones potenciales de CNT incluyen compuestos multifuncionales, los electrodos y/o los añadidos electroquímicos, los emisores del campo así como los dispositivos de semiconductor nano-clasificados2. CNTs también se utiliza como rellenadores en los materiales del ánodo y del cátodo de baterías secundarias de ión de litio9,10.

MWNTs se puede utilizar como puntas del microscopio de la antena de la exploración para obtener imágenes de alta resolución y en un futuro próximo, MWNTs fino será utilizado como fuentes del electrón de la emisión de campo para las pantallas planas. MWNTs Químicamente functionalized también da una alta capacidad que detecta para los grupos químicos y biológicos que obran recíprocamente con diversas superficies.

Además, CNTs es un candidato ideal a rellenadores en compuestos del polímero. El engranaje compuesto de trabajo más pequeño ha sido preparado mezclando nanotubes en de nylon fundido y después inyectándolos en el molde minúsculo. Este pedazo exhibe una alta fuerza mecánica, una alta resistencia de escoriación y conductividad también una buena eléctrica y térmica. El progreso Adicional tiene que ser realizado para utilizar completo este los compuestos del nanotube/del polímero, por ejemplo la optimización de las propiedades superficiales, la dispersión homogénea sin daño físico, el revelado de un método efectivo de la alineación (también método de evaluación) y tramitación.

Un sellante de goma estupendo capaz de soportar temperatura alta y la presión fue fabricado con éxito por Profesor Morinobu Endo y sus colegas en el Instituto de la Ciencia y de la Tecnología del Carbón. Esto fue hecha incorporando nanotubes superficie-modificados en el caucho11. De Acuerdo con nuestros presupuestos y después de reconocer la profundidad y la temperatura de recursos petrolíferos, el revelado de una tecnología de goma estupenda capaz de soportar 260°C bajo MPa 239 de la presión contribuirá a un aumento revolucionario en eficiencia de la recuperación del aceite del 35% actual a más el de 70% excavando depósitos previamente inaccesibles.

Otra aplicación potencial de CNT está en la fabricación de los estupendo-condensadores y de los actuadores electroquímicos usados en músculos artificiales. Los actuadores de Nanotube pueden operatorio en las bajas tensiones y las temperaturas tan altas como 350°C. Actualmente, los estupendo-condensadores se incorporan en los vehículos híbridos pues podrían proporcionar a la aceleración rápida y salvar energía de fractura eléctricamente.

La posibilidad de usar CNTs como nanowires es considerado debido a su transporte balístico observado. Para la fabricación de los transistores de efecto de campo del nanotube, SWNTs fue conectado con los nano-electrodos del metal. El funcionamiento es excelente en términos de velocidad de transferencia debido a su capacitancia inferior. Un problema inherente asociado a CNT miente en la dificultad en la manipulación de él. De un punto de vista comercial, el progreso técnico adicional se requiere, por ejemplo el incremento selectivo de nanotubes usando técnicas del uno mismo-ensamblaje.

Carbón Nanotube Biocompatibility

Mucha atención era pagada en la toxicidad de CNTs debido a su dimensión del nanoscale y a sus características morfológicas similares a la del amianto12,13. Por Lo Tanto, las pruebas toxicológicas de CNT son fuertemente necesarias prevenir riesgos y desordenes profesionales en trabajadores y ascender su uso seguro en productos de consumo. Nuestros estudios preliminares en la reacción biológica de CNTs indican que su naturaleza tóxica potencial es importante inferior14,15. Sin Embargo, un estudio más completo y más a largo plazo tiene que conducto para determinar la naturaleza tóxica de diversos tipos de CNTs tales como aspiración directa de tubos en pulmones humanos.

Perspectiva

Este minúsculo, negros y tubular-tipo nanomaterials cambiarán la manera que vivimos, que trabajamos y que comunicamos. Un gran número de productos CNT-derivados son ya funcionando y su viabilidad depende en gran medida del éxito de su comercialización.

Antes de considerar el uso de CNTs en productos comerciales como éxito, por lo menos cuatro obstáculos tienen que ser resueltos:

   1. Cómo obtener la pureza elevada CNTs como impurezas metálicas permanezca a menudo después de que el proceso de la fabricación que puede dar lugar a propiedades tóxicas.
   2. Cómo manipular estos materiales minúsculos.
   3. Cómo controlar el chirality de CNT.
   4. La edición más importante pero más crítica del “seguro” tiene que ser clarificada basó en estudios biológicos a largo plazo y sistemáticos.

Los esfuerzos Extensos e intensivos en academia e industria están buscando una solución a estos obstáculos y una vez que se ha alcanzado una solución, CNTs desempeñará un papel importante dominante como material innovador del siglost 21 en varios procesos industriales.

Hemos alcanzado más allá de la primera montaña de la ciencia, de la segunda montaña de la tecnología y de la tercera montaña de la economía produciendo CNTs con éxito a gran escala por un precio razonable (Fig. 3). Ahora nos estamos esforzando toma de altura la montaña de la sociedad. Compartiendo la información sobre riesgos y ventajas de CNTs con todos los tenedores, finalmente alcanzaremos la parte superior de una montaña del nanotube y probar CNT es un material innovador para el siglost 21.

El Cuadro 3. nanotube del Carbón como marginal de la nanotecnología debe ir más allá de las cuatro montañas como tecnología innovadora y fundamental del siglost 21. La colaboración Mundial en ciencia es la cuestión clave para el éxito.

Acuse De Recibo

Este trabajo estaba en la parte utilizada por las concesiones del ATADO (segundo escenario) y de MEXT (Ningunos 19002007), Japón.


Referencias

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Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Morinobu Endo (Universidad de Shinshu)

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

Last Update: 14. June 2013 01:55

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