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Progrès et Points De Vue dans le Monde de Nanotube de Carbone

par Professeur Morinobu Endo

Professeur Morinobu Endo, Corps Enseignant du Bureau D'études et Institut de la Science de Carbone et de la Technologie, Université de Shinshu, Japon
Auteur Correspondant : endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

Au cours de la dernière décennie, la nanotechnologie a suscité un bon nombre d'attention de la société comme source possible pour les solutions nouvelles à plusieurs des problèmes existants et apparaissants du monde. Tout simplement, la nanotechnologie a pu fournir la capacité mieux de comprendre et concevoir les solutions complexes sur une échelle atomique et moléculaire. Le nanomaterial lié à la nanotechnologie le plus attrayant est considéré des nanotubes unidimensionnels de carbone (CNT).

Géométriquement, CNT peut être conçu en roulant des feuilles de graphene dans un long tubule creux. La seule configuration de ce matériau transmet d'excellentes propriétés physico-chimiques1. Par exemple, le module De Young de CNT est plus raide que n'importe quel autre matériau, alors que leur résistance à la traction est 100 fois qui de l'acier. La densité de courant électrique Maximale est 100 fois plus grande que pour la mobilité de câblage cuivre et de porteuses est la promesse grande d'exposition2 de CA 105 cm/Vs. CNTs dans de nombreuses applications dans un avenir proche2 et les excellentes propriétés de CNT ont déjà eu comme conséquence leur utilisation dans les produits disponibles commerciaux.

Actuellement, le montant total de CNTs a produit la tonne commercialement de partout dans le monde atteinte de CA 1.000/année. En cet article de fond, la structure de base de CNTs est brièvement décrite, ainsi que les dernières avances dans la production à grande échelle, des utilisations commerciales existantes des nanotubes sont révisées avec l'accent particulier sur la question toxicologique de CNTs.

Quel est un Nanotube de Carbone ?

CNT peut être conçu comme feuilles de roulis de graphene (réseau de nid d'abeilles de carbone sp2) dans un cylindre du diamètre de taille de nanomètre (Fig. 1 (a)). La structure de CNT a été explorée pendant les premières années avec la microscopie électronique à haute résolution de boîte de vitesses (Fig. 1 (b))3, et les résultats obtenus indiquent que les nanotubes sont les tubules sans joint de nanoscale dérivés du réseau de nid d'abeilles représentant une seule couche atomique de graphite cristallin, autrement désigné sous le nom d'une feuille de graphene. La lordose des nanotubes comporte un peu de métallisation sp3 de sorte que la constante de force dans le sens tangentiel soit légèrement plus faible que le long de l'axe de nanotube.

Le Schéma 1. (a) CNT pourrait être conçu en roulant des feuilles de graphene (réseau de nid d'abeilles de carbone sp2) dans un cylindre de diamètre de taille de nanomètre. (b) La structure de CNT a été explorée dès l'abord par microscopie électronique à haute résolution de boîte de vitesses.

Puisque le nanotube unique-muré de carbone (SWNT) est seulement un atome profondément et a un nombre restreint d'atomes autour de sa circonférence, seulement quelques vecteurs d'onde sont nécessaires pour décrire la périodicité des nanotubes. Ces contraintes mènent au confinement de tranche de temps des fonctions d'onde dans les sens radiaux et tangentiels, avec le mouvement d'onde plane se produisant seulement le long de l'axe de nanotube, correspondant à un grand numéro ou à des vecteurs d'onde permis étroitements aligné.

Les nanotubes de Carbone peuvent être métalliques ou semi-conducteurs, et de même les différents constituants des nanotubes de multi-paroi ou des paquets à mur unique de nanotube peuvent être métalliques ou semi-conducteurs4. Ces propriétés électroniques remarquables suivent de la structure électronique du 2D graphite sous les contraintes du confinement de tranche de temps dans le sens tangentiel.

Dans le cas des nanotubes multi-murés de carbone (MWNTs), qui ont type un diamètre moins qu'environ 100 nanomètre, aucun empilement graphitique de tridimensionnel n'est déterminé5, quoiqu'une shell individuelle des couches multi se compose des feuilles parfaites de graphene. En Outre, chaque tube a le chirality différent et indépendant, qui pourrait contribuer à plus grand inter-SHELL espaçant qu'est trouvé en graphite. Ces structures caractéristiques de CNTs unique et multi-muré indiquent qu'elles sont de seuls matériaux unidimensionnels avec les propriétés électroniques, chimiques, mécaniques, et thermiques de fascination.

Production d'Échelle Industrielle des Nanotubes de Carbone

Jusqu'à présent, des méthodes synthétiques variées pour produire CNTs ont été enregistrées (par exemple, décharge en arc, vaporisation de laser et déposition en phase vapeur catalytique (CVD)). La tendance récente dominante est de synthétiser CNTs utilisant l'élan de CVD puisque cette technique est extrêmement utile pour la production à grande échelle de SWNTs et de MWNTs. 3En introduisant simultanément les hydrocarbures et le nanoscale des particules catalytiques pendant la phase gazeuse dans la cavité de réaction, CNTs ont été synthétisées à grande échelle. 6

SWNTs et MWNTs Croissants dans un réacteur a été proposé et ceci comporte le dépôt catalytique des hydrocarbures au-dessus de la surface des particules de taille d'une nano en métal et d'un résultat continu par la particule du tubule bien organisé de sp2-carbon hexagonal3,6. La preuve irréfutable de cette supposition est la présence des particules catalytiques aux extrémités (haut ou racine) des tubes (Fig. 2 (Courant alternatif)). Dans le cas de la production à grande échelle de SWNTs, le développement du procédé à haute pression de monoxyde de carbone a donné l'impulsion à l'étude scientifique et aux applications de SWNTs7.

Le Schéma 2. affiche la présence des particules catalytiques aux extrémités des tubes.

Concernant la production en vrac de MWNTs pour des applications industrielles, il est important de mentionner que fin 1980, production débutée de Cie. Ltd de Showa-Denko et de Hyperion Catalysis International, Inc. (Cambridge, MAMANS) de plusieurs tonnes de CNTs annuellement catalytiquement développé. Actuellement, le montant total du MWNTs disponible dans le commerce autour du monde a atteint 1.000 tonnes/année. On s'attend à ce que la comptabilité globale de carbone-nanotube en 2015 atteigne US$500 million8. La remarque la plus intéressante est que toutes les compagnies ont sélecté une méthode catalytique de CVD pour la production à grande échelle de MWNTs.

Application des Nanotubes de Carbone

En Raison de leurs petites cotes et excellentes propriétés physico-chimiques, CNTs ont été proposés pour un large éventail d'applications. Certaines des applications possibles de CNT comprennent les composés multifonction, les électrodes et/ou les additifs électrochimiques, les émetteurs de zone ainsi que les dispositifs de semi-conducteur de taille d'une nano2. CNTs sont également utilisés comme remplissages en matériaux d'anode et de cathode des batteries secondaires de lithium-ion9,10.

MWNTs peut être employé en tant qu'extrémités de microscope de sonde de lecture pour obtenir des images haute résolution et dans un avenir proche, MWNTs mince sera utilisé en tant que sources d'électron d'émission de champ pour les affichages à panneau plat. MWNTs Chimiquement functionalized donnent également une capacité se sentante élevée pour les groupes chimiques et biologiques agissant l'un sur l'autre avec différentes surfaces.

De plus, CNTs sont un candidat idéal pour des remplissages dans des composés de polymère. Les plus petits trains composés fonctionnants ont été préparés des nanotubes de mélange dans en nylon fondu et puis en injectant dans le moulage minuscule. Cette pièce montre une haute résistance mécanique, une résistance d'abrasion élevée et également un bon élém. élect. et une conduction thermique. Davantage de progrès doit être effectué afin d'employer entièrement ces des composés de nanotube/polymère, par exemple l'optimisation des propriétés extérieures, la dispersion homogène sans dégâts matériels, l'élaboration d'une méthode pertinente de cadrage (aussi méthode de bilan) et traitement.

Un scellage en caoutchouc superbe capable de supporter la température élevée et la pression a été avec succès fabriqué par Professeur Morinobu Endo et ses collègues à l'Institut de la Science et de la Technologie de Carbone. Ceci a été fait en comportant des nanotubes surface-modifiés dans le caoutchouc11. Basé sur nos estimations et après avoir étudié la profondeur et la température des ressources pétrolières, le développement d'une technologie en caoutchouc superbe capable de supporter 260°C au-dessous de l'Avion de patrouille maritime 239 de la pression contribuera à une amélioration révolutionnaire dans l'efficience de reprise de pétrole du 35 % actuel à plus de 70 % en excavant les dépôts précédemment inaccessibles.

Une Autre application possible de CNT est dans la fabrication des superbe-condensateurs et des déclencheurs électrochimiques utilisés dans des muscles artificiels. Les déclencheurs de Nanotube peuvent fonctionner à de basses tensions et à températures élevées aussi que 350°C. Actuel, des superbe-condensateurs sont comportés aux véhicules hybrides car ils pourraient fournir l'accélération rapide et enregistrer l'énergie se brisante électriquement.

La possibilité d'utiliser CNTs comme nanowires est due envisagé à leur transport ballistique observé. Pour la fabrication des transistors à effet de champ de nanotube, SWNTs ont été connectés aux nano-électrodes en métal. La performance est excellente en termes de vitesse de commutation dû à leur capacité faible. Un problème inhérent associé avec CNT se situe dans la difficulté en les manipulant. D'un point de vue commercial, davantage de progrès technique est exigé, comme l'accroissement sélecteur des nanotubes utilisant des techniques en kit.

Nanotube Biocompatibility de Carbone

Beaucoup d'attention était payée sur la toxicité de CNTs due à leur cote de nanoscale et à leurs caractéristiques techniques morphologiques assimilées à celle de l'amiante12,13. Par Conséquent, la preuve toxicologique de CNT est fortement nécessaire pour éviter des risques et des troubles professionnels dans les travailleurs et pour introduire leur utilisation sûre dans des produits de consommation. Nos études préliminaires sur la réaction biologique de CNTs indique que leur nature toxique potentielle est sensiblement faible14,15. Cependant, une étude plus complète et plus à long terme doit être entreprise pour déterminer la nature toxique des types variés de CNTs tels que l'aspiration directe des tubes dans des poumons humains.

Outlook

Ces nanomaterials minuscules, noirs et de type tubulaire changeront la voie que nous vivons, travaillons et communiquons. Un grand nombre de produits CNT-dérivés sont déjà en service et leur viabilité dépend fortement de la réussite de leur commercialisation.

Avant De considérer l'utilisation de CNTs dans les produits commercial comme réussite, au moins quatre obstacles doivent être resolved :

   1. Comment obtenir la grande pureté CNTs en tant qu'impuretés métalliques restez souvent après que le procédé de fabrication qui peut provoquer les propriétés toxiques.
   2. Comment manipuler ces matériaux minuscules.
   3. Comment régler le chirality de CNT.
   4. La délivrance de « sécurité la plus importante mais la plus critique » doit être basée expliqué sur des études biologiques à long terme et systématiques.

Les Vastes et intensifs efforts dans l'académie et l'industrie recherchent une solution à ces obstacles et une fois qu'une solution a été atteinte, CNTs jouera un rôle majeur principal comme matériau novateur du sièclest 21 dans un certain nombre de processus industriels.

Nous avons atteint au delà de la première montagne de la science, de la deuxième montagne de la technologie et de la troisième montagne de l'économie en produisant CNTs avec succès à grande échelle à un coût raisonnable (Fig. 3). Maintenant nous tâchons d'escalader la montagne de la société. En partageant l'information sur des risques et des avantages de CNTs avec toutes les parties prenantes, nous atteindrons finalement le haut d'une montagne de nanotube et prouver CNT est un matériau novateur pour le sièclest 21.

Le Schéma 3. nanotube de Carbone en tant que de pointe de la nanotechnologie doit dépasser les quatre montagnes comme technologie novatrice et principale du sièclest 21. La collaboration Mondiale sur la science est la question clé pour la réussite.

Remerciement

Ce travail était en partie supporté par les concessions de BATTERIE (seconde étape) et de MEXT (Aucun 19002007), Japon.


Références

1. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus et P.C. Eklund, la Science des Fullerenes et des Nanotubes de Carbone, Édition Académique, San Diego (1996).
2. M. Endo, M.S. Strano, P.M. Ajayan, Dans des Nanotubes de Carbone : Sujets Avancés dans la Synthèse, la Structure, les Propriétés et les Applications (Eds, A. Jorio, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus), Springer, 2008, pp 13-61.
3. A. Oberlin, M. Endo et T. Koyama, Cristallogénèse 32, 335-349 de J. (1976).
4. R. Saito, M.S. Dresselhaus et G. Dresselhaus, Propriétés Physiques des Nanotubes de Carbone, Presse Impériale d'Université, Londres (1998).
5. X. Sun, C.H. Kiang, M. Endo, K. Takeuchi, T. Furuta et M.S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 54, 1 (1996).
6. M. Endo, Technologie 568-576 (1988) de Chim.
7. P. Nikolaev, M.J. Bronikowski, R.K. Bradley, F. Rohmund, D.T. Colbert, K.A. Smith, R.E. Smalley, Chem. Phys. Lett. 313, 91 (1999).
8. Montre d'Affaires, Nature 461, 703 (2009).
9. M. Endo, Y.A. Kim, T. Hayashi, K. Nishimura, T. Matushita, K. Miyashita et M.S. Dresselhaus, Carbone 39, 1287-1297 (2001).
10. C. Sotowa, G. Origi, M. Takeuchi, Y. Nishimura, K. Takeuchi, I.Y. Jang, Y.J. Kim, T. Hayashi, Y.A. Kim, M. Endo, M.S. Dresselhaus, ChemSusChem 1, 911-915 (2008).
11. M. Endo, T. Noguchi, M. Ito, K. Takeuchi, T. Hayashi, Y.A. Kim, T. Wanibuchi, H. Jinnai, M. Terrones, M.S. Dresselhaus, Adv. Funct. Mère. 18, 3403-3409 (2008).
12. A. Takagi, A. Hirose, T. Nishimura, N. Fukumori, A. Ogata, N. Ohashi, S. Kitajima, J. Kanno, J. Toxicol. Sci. 33, 105-116 (2008).
13. C.A. Pologne, R. Duffin, I. Kinloch, A. Maynard, W.A.H. Wallace, A. Seaton, National. Nanotechnologie. 3, 216-221 (2008).
14. S. Koyama, M. Endo, Y.A. Kim, T. Hayashi, T. Yanagisawa, K. Osaka, H. Koyama, N. Kuroiwa, Carbone 44, 1079-1092 (2006).
15. S. Koyama, Y.A. Kim, T. Hayashi, K. Takeuchi, C. Fujii, N. Kuroiwa, H. Koyama, T. Tukahara, M. Endo, Carbone 47, 1365-1372 (2009).

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Morinobu Endo (Université de Shinshu)

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

Last Update: 14. June 2013 01:20

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