Progresso e Prospettive nel Mondo di Nanotube del Carbonio

dal Professor Morinobu Endo

Il Professor Morinobu Endo, Facoltà di Assistenza Tecnica ed Istituto della Scienza del Carbonio & della Tecnologia, Università di Shinshu, Giappone
Autore Corrispondente: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

Negli ultimi dieci anni, la nanotecnologia ha ricevuto i lotti dell'attenzione dall'interno della società come sorgente potenziale per le soluzioni novelle a molti dei problemi esistenti ed emergenti del mondo. Messa Semplicemente, la nanotecnologia ha potuto fornire la capacità di capire e progettare meglio le soluzioni complesse su un disgaggio atomico e molecolare. Il nanomaterial in relazione con la nanotecnologia più attraente è considerato come nanotubes unidimensionali del carbonio (CNT).

Geometricamente, CNT può essere visualizzato laminando le lamiere sottili di graphene in un tubulo vuoto lungo. La configurazione unica di questo materiale comunica i beni fisico-chimici eccellenti1. Per esempio, il modulo Di Young di CNT è più rigido di qualunque altro materiale, mentre la loro resistenza alla trazione è 100 volte che di acciaio. La densità di corrente elettrica Massima è 100 volte maggior di per mobilità di portafili e del filo di rame è promessa di manifestazione di CA2 105 cm/Vs. CNTs la grande nelle numerose applicazioni nell'immediato futuro2 ed i beni eccellenti di CNT già hanno provocato il loro uso in prodotti disponibili commerciali.

Attualmente, la somma totale di CNTs ha prodotto commercialmente intorno alla tonnellata/anno di CA 1.000 raggiunta mondo. In questo articolo speciale, la struttura di base di CNTs brevemente è descritta come pure gli ultimi avanzamenti nella produzione su grande scala, usi commerciali attuali dei nanotubes sono esaminati con importanza particolare sull'emissione tossicologica di CNTs.

Che Cosa è un Carbonio Nanotube?

CNT può essere visualizzato come lamiere sottili di laminazione di graphene (grata del favo del carbonio sp2) in un cilindro del diametro di dimensione di nanometro (Fig. 1 (a)). La struttura di CNT è stata esplorata durante i primi anni con microscopia elettronica di trasmissione ad alta definizione (Fig. 1 (b))3ed i risultati ottenuti rivela che i nanotubes sono tubuli senza cuciture del nanoscale derivati dalla grata del favo che rappresenta un singolo livello atomico di grafite cristallina, altrimenti riferito a come lamiera sottile del graphene. La curvatura dei nanotubes comprende una piccola quantità di legame sp3 in modo che la costante di forza nella direzione circonferenziale sia leggermente più debole di lungo l'asse del nanotube.

La Figura 1. (a) CNT potrebbe essere visualizzata laminando le lamiere sottili di graphene (grata del favo del carbonio sp2) in un cilindro del diametro di dimensione di nanometro. (b) La struttura di CNT è stata esplorata nella fase iniziale da microscopia elettronica di trasmissione ad alta definizione.

Poiché il nanotube unico murato del carbonio (SWNT) è densamente soltanto un atomo ed ha un piccolo numero di atomi intorno alla sua circonferenza, solo alcuni vettori di onda sono necessari descrivere la periodicità dei nanotubes. Questi vincoli piombo a relegazione di quantum delle funzioni di onda nelle direzioni radiali e circonferenziali, con moto di onda piana che accade soltanto lungo l'asse del nanotube, corrispondendo ad un grande numero o ai vettori di onda permessi appropriatamente orientati.

I nanotubes del Carbonio possono essere metallici o semiconduttori e similarmente i diversi componenti dei nanotubes della multi-parete o dei gruppi a parete semplice del nanotube possono essere metallici o semiconduttori4. Questi beni elettronici notevoli seguono dalla struttura elettronica della 2D grafite nell'ambito dei vincoli di relegazione di quantum nella direzione circonferenziale.

Nel caso dei nanotubes multi-murati del carbonio (MWNTs), che hanno tipicamente un diametro meno intorno 100 nanometro, l'impilamento tridimensionale non grafitico è stabilito5, anche se una parete determinata di multi livelli consiste delle lamiere sottili perfette del graphene. Inoltre, ogni tubo ha chiralità differente e indipendente, che potrebbe contribuire ad un più grande gioco dello inter shell che è trovato in grafite. Queste strutture caratteristiche di CNTs unico e multi-murato indicano che sono materiali unidimensionali unici con i beni elettronici, chimici, meccanici e termici affascinare.

Produzione del Disgaggio Industriale di Carbonio Nanotubes

Finora, i vari metodi sintetici per la produzione del CNTs sono stati riferiti (per esempio, scarico di arco, vaporizzazione del laser e applicazione a spruzzo chimica catalitica (CVD)). La tendenza recente dominante è di sintetizzare CNTs facendo uso dell'approccio di CVD poiché questa tecnica è estremamente utile per la produzione su grande scala sia di SWNTs che di MWNTs. 3Simultaneamente inserendo gli idrocarburi e il nanoscale le particelle catalitiche nella fase gassosa nella camera della reazione, CNTs sono state sintetizzate su vasta scala. 6

SWNTs e MWNTs Crescenti in un reattore è stato proposto e questo comprende il deposito catalitico degli idrocarburi sopra la superficie delle particelle nano di taglia del metallo e un output continuo dalla particella del tubulo ben organizzato di sp2-carbon esagonale3,6. La prova ben fondata di questo presupposto è la presenza di particelle catalitiche alle estremità (cima o root) dei tubi (Fig. 2 (Corrente alternata)). Nel caso di produzione su grande scala di SWNTs, lo sviluppo del trattamento ad alta pressione del monossido di carbonio ha dato lo slancio allo studio ed alle applicazioni scientifici di SWNTs7.

Figura 2. mostra la presenza di particelle catalitiche alle estremità dei tubi.

Per Quanto Riguarda la produzione in serie di MWNTs per le applicazioni industriali, è importante citare alla fine del 1980 il quel, Showa-Denko Co. Ltd e produzione cominciata di Hyperion Catalysis International, Inc. (Cambridge, MA) di parecchie tonnellate di CNTs annualmente cataliticamente sviluppato. Attualmente, la somma totale del MWNTs disponibile nel commercio intorno al mondo ha raggiunto 1.000 tonnellate/anno. È preveduto che il reddito globale del carbonio-nanotube nel 2015 raggiunga US$500 milione8. Il punto più interessante è che tutte le società hanno selezionato un metodo catalitico di CVD per la produzione su grande scala di MWNTs.

Applicazione di Carbonio Nanotubes

dovuto le loro piccole dimensioni e beni fisico-chimici eccellenti, CNTs sono stati proposti per una vasta gamma di applicazioni. Alcune delle applicazioni potenziali di CNT comprendono i compositi multifunzionali, elettrodi e/o gli additivi elettrochimici, emettitori del campo come pure unità nano di taglia a semiconduttore2. CNTs egualmente è utilizzato come riporti sia nei materiali del catodo che dell'anodo delle batterie secondarie dello litio-ione9,10.

MWNTs può essere usato come suggerimenti del microscopio della sonda di scansione per ottenere le immagini ad alta definizione e nell'immediato futuro, MWNTs sottile sarà usato come sorgenti dell'elettrone dell'emissione di campo per gli schermi piatti. MWNTs Chimicamente functionalized egualmente dà un'alta capacità sensoriale per i gruppi chimici e biologici che interagiscono con differenti superfici.

Inoltre, CNTs è un candidato ideale per i riporti nei compositi del polimero. Il più piccolo congegno composito funzionante è stato preparato mescolando i nanotubes in di nylon fuso e poi iniettando nella muffa minuscola. Questo pezzo esibisce un'alta concentrazione meccanica, un'alta resistenza all'abrasione e conducibilità anche una buona elettrica e termica. Ulteriore progresso deve essere effettuato per completamente utilizzare questo i compositi polimero/del nanotube, per esempio l'ottimizzazione dei beni di superficie, la dispersione omogenea senza danno fisico, l'elaborazione di efficace metodo di allineamento (anche metodo di valutazione) e trattamento.

Un sigillante di gomma eccellente capace di resistenza la temperatura elevata e della pressione da costruzione con successo dal Professor Morinobu Endo ed i suoi colleghi all'Istituto di Scienza & della Tecnologia del Carbonio. Ciò è stata fatta comprendendo i nanotubes superficie-modificati in gomma11. Sulla Base dei nostri preventivi e dopo l'esame la profondità e della temperatura delle risorse petrolifere, lo sviluppo di una tecnologia di gomma eccellente capace di resistenza del 260°C sotto il MPa 239 di pressione contribuirà ad un potenziamento rivoluzionario nel risparmio di temi di ripristino del petrolio dal 35% corrente a più di 70% scavando i depositi precedentemente inaccessibili.

Un'Altra applicazione potenziale di CNT è nella lavorazione dei super-condensatori e degli azionatori elettrochimici utilizzati in muscoli artificiali. Gli azionatori di Nanotube possono funzionare alle basse tensioni ed alle temperature alte quanto 350°C. Corrente, i super-condensatori sono incorporati nei veicoli ibridi poichè potrebbero fornire l'accelerazione rapida e memorizzare elettricamente l'energia di rottura.

La possibilità di usando CNTs come nanowires è preveduto dovuto il loro trasporto balistico osservato. Per la lavorazione dei transistor di effetto di campo del nanotube, SWNTs è stato connesso agli nano-elettrodi del metallo. La prestazione è eccellente in termini di velocità di commutazione a causa della loro capacità bassa. Un problema inerente connesso con CNT si trova nella difficoltà nella manipolazione loro. Da un punto di vista commerciale, ulteriore progresso tecnico è richiesto, quale la crescita selettiva dei nanotubes facendo uso delle tecniche dell'auto-assembly.

Biocompatibilità di Nanotube del Carbonio

Molta attenzione era pagata sulla tossicità di CNTs dovuto la loro dimensione del nanoscale e le loro funzionalità morfologiche simili a quella dell'amianto12,13. Di Conseguenza, la prova tossicologica di CNT è forte necessaria impedire i rischi e le malattie professionali in lavoratori e promuovere la loro sicurezza di utilizzo nei generi di consumo. I Nostri studi preliminari sulla risposta biologica di CNTs indica che la loro natura tossica potenziale è significativamente bassa14,15. Tuttavia, gli studi più accurati e più a lungo termine devono essere intrapresi per determinare la natura tossica di vari tipi di CNTs quale l'aspirazione diretta dei tubi in polmoni umani.

Outlook

Questi nanomaterials minuscoli, neri e tubolare tipi cambieranno il modo che viviamo, che lavoriamo e che comunichiamo. Tantissimi prodotti CNT-derivati sono già in uso e la loro attuabilità dipende forte dal successo della loro commercializzazione.

Prima della considerazione dell'uso di CNTs in prodotti commerciali come successo, almeno quattro ostacoli devono essere risolti:

   1. Come ottenere l'elevata purezza CNTs come impurità metalliche rimanga spesso dopo che il trattamento di montaggio che può provocare i beni tossici.
   2. Come manipolare questi materiali minuscoli.
   3. Come gestire la chiralità di CNT.
   4. Il punto più importante ma più critico “della sicurezza„ deve essere chiarito ha basato sugli studi biologici a lungo termine e sistematici.

Gli Estesi e sforzi intensivi sia nell'accademia che nell'industria stanno cercando una soluzione a questi ostacoli ed una volta che una soluzione è stata raggiunta, CNTs svolgerà un ruolo importante chiave come materiale innovatore del secolost 21 in una serie di processi industriali.

Abbiamo raggiunto oltre la prima montagna di scienza, la seconda montagna della tecnologia e la terza montagna dell'economia producendo CNTs con successo su vasta scala a costo ragionevole (Fig. 3). Ora stiamo sforzando di scalare la montagna della società. Dividendo le informazioni sui rischi e sui vantaggi di CNTs con tutti i consegnatari, definitivo raggiungeremo la cima di una montagna del nanotube e provare CNT è un materiale innovatore per il secolost 21.

La Figura 3. nanotube del Carbonio come un avanzato di nanotecnologia deve andare oltre le quattro montagne come tecnologia innovatrice e fondamentale del secolost 21. La collaborazione Mondiale su scienza è il punto chiave per il successo.

Riconoscimento

Questo lavoro era in parte di supporto dalle concessioni del CLUSTER (seconda tappa) e di MEXT (Nessun 19002007), Giappone.


Riferimenti

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Copyright AZoNano.com, il Professor Morinobu Endo (Università di Shinshu)

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

Last Update: 14. June 2013 01:28

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