Progresso e Perspectivas no Mundo de Nanotube do Carbono

pelo Professor Morinobu Endo

Professor Morinobu Endo, Faculdade da Engenharia e Instituto da Ciência do Carbono & da Tecnologia, Universidade de Shinshu, Japão
Autor Correspondente: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

Ao longo da última década, a nanotecnologia recebeu lotes da atenção de dentro da sociedade como uma fonte potencial para soluções novas a muitos dos problemas existentes e emergentes do mundo. Posta Simplesmente, a nanotecnologia podia fornecer a capacidade para compreender e projectar melhor soluções complexas em uma escala atômica e molecular. O nanomaterial nanotecnologia-relacionado o mais atractivo é considerado ser nanotubes de uma dimensão do carbono (CNT).

Geomètrica, CNT pode ser visualizado rolando folhas do graphene em um tubule oco longo. A configuração original deste material dá propriedades físico-químicas excelentes1. Por exemplo, o módulo Young de CNT é mais duro do que todo o outro material, quando sua resistência à tracção for 100 vezes que do aço. A densidade actual elétrica Máxima é 100 vezes maior do que para a mobilidade de fio de cobre e de portador é promessa da mostra do CA2 105 cm/Vs. CNTs a grande em aplicações numerosas em um futuro próximo2 e as propriedades excelentes de CNT têm conduzido já a seu uso em produtos disponíveis comerciais.

Presentemente, a quantidade total de CNTs produziu comercialmente de todo o mundo a tonelada alcançada do CA 1.000/ano. Neste artigo de fundo, a estrutura básica de CNTs é descrita momentaneamente, assim como os avanços os mais atrasados na produção em grande escala, usos comerciais existentes dos nanotubes são revistos com ênfase especial na introdução toxicological de CNTs.

Que é um Carbono Nanotube?

CNT pode ser visualizado como folhas do rolamento do graphene (estrutura do favo de mel do carbono sp2) em um cilindro do diâmetro do tamanho do nanômetro (Fig. 1 (a)). A estrutura de CNT foi explorada nos primeiros anos com microscopia de elétron de transmissão de alta resolução (Fig. 1 (b))3, e os resultados obtidos revelam que os nanotubes são tubules sem emenda do nanoscale derivados da estrutura do favo de mel que representa uma única camada atômica de grafite cristalina, se não referido como uma folha do graphene. A curvatura dos nanotubes incorpora uma pequena quantidade da ligação sp3 de modo que a constante de força no sentido circunferencial seja ligeira mais fraca do que ao longo da linha central do nanotube.

A Figura 1. (a) CNT poderia ser visualizada rolando folhas do graphene (estrutura do favo de mel do carbono sp2) em um cilindro do diâmetro do tamanho do nanômetro. (b) A estrutura de CNT tem sido explorada cedo sobre pela microscopia de elétron de transmissão de alta resolução.

Desde Que o nanotube único-murado do carbono (SWNT) é somente um átomo densamente e tem um pequeno número de átomos em torno de sua circunferência, simplesmente alguns vectores de onda são necessários descrever a periodicidade dos nanotubes. Estas limitações conduzem ao confinamento do quantum das funções de onda nos sentidos radiais e circunferenciais, com o movimento de onda plana que ocorre somente ao longo da linha central do nanotube, correspondendo a um grande número ou a uns vectores de onda permitidos fechados.

Os nanotubes do Carbono podem ser metálicos ou semiconducting, e do mesmo modo os componentes individuais de nanotubes da multi-parede ou de pacotes do nanotube da único-parede podem ser metálicos ou semiconducting4. Estas propriedades eletrônicas notáveis seguem da estrutura eletrônica da 2D grafite sob as limitações do confinamento do quantum no sentido circunferencial.

No caso dos nanotubes multi-murados do carbono (MWNTs), que têm tipicamente um diâmetro menos do que ao redor 100 nanômetro, o empilhamento tridimensional não graphitic é estabelecido5, mesmo que um escudo individual das multi camadas consista em folhas perfeitas do graphene. Também, cada câmara de ar tem o chirality diferente e independente, que pôde contribuir a inter-SHELL maior que espaça do que é encontrado na grafite. Estas estruturas características de único e CNTs multi-murado indicam que são materiais de uma dimensão originais com propriedades eletrônicas, químicas, mecânicas, e térmicas fascinar.

Produção da Escala Industrial de Carbono Nanotubes

Até aqui, os vários métodos sintéticos para produzir CNTs foram relatados (por exemplo, descarga de arco, vaporização do laser e depósito de vapor químico catalítico (CVD)). A tendência recente dominante é sintetizar CNTs usando a aproximação do CVD desde que esta técnica é extremamente útil para a produção em grande escala de SWNTs e de MWNTs. 3Simultaneamente alimentando hidrocarbonetos e nanoscale as partículas catalíticas na fase de gás na câmara da reacção, CNTs foram sintetizadas em grande escala. 6

SWNTs e MWNTs Crescentes em um reactor foram propor e este envolve o depósito catalítico dos hidrocarbonetos sobre a superfície de partículas nano-feitas sob medida do metal e uma saída contínua pela partícula do tubule bem organizado de sp2-carbon sextavado3,6. O forte evidência desta suposição é a presença de partículas catalíticas nas extremidades (parte superior ou raiz) das câmaras de ar (Fig. 2 (Corrente alternada)). No caso da produção em grande escala de SWNTs, a revelação do processo de alta pressão do monóxido de carbono deu o ímpeto ao estudo e às aplicações científicos de SWNTs7.

Figura 2. mostra a presença de partículas catalíticas nas extremidades das câmaras de ar.

Em Relação à produção maioria de MWNTs para aplicações industriais, é importante mencionar ao fim de 1980 o esse, Showa-Denko Co. Ltd e produção começada de Hyperion Catálise Internacional, Inc. (Cambridge, MILIAMPÈRE) de diversas toneladas de CNTs anualmente catalìtica crescido. Presentemente, a quantidade total do MWNTs disponível no comércio em todo o mundo alcançou 1.000 toneladas/ano. Espera-se que o rendimento global do carbono-nanotube em 2015 alcançará US$500 milhão8. O ponto o mais interessante é que todas as empresas seleccionaram um método catalítico do CVD para a produção em grande escala de MWNTs.

Aplicação do Carbono Nanotubes

Devido a suas dimensões pequenas e propriedades físico-químicas excelentes, CNTs foram propor para uma vasta gama de aplicações. Algumas das aplicações potenciais de CNT incluem compostos multi-funcionais, os eléctrodos e/ou aditivos eletroquímicos, emissores do campo assim como dispositivos de semicondutor nano-feitos sob medida2. CNTs é usado igualmente como enchimentos em materiais do ânodo e do cátodo de baterias secundárias do lítio-íon9,10.

MWNTs pode ser usado como pontas do microscópio da ponta de prova da exploração para obter imagens de alta resolução e em um futuro próximo, MWNTs fino será usado como fontes do elétron da emissão de campo para ecrãs planos. MWNTs Quimicamente functionalized igualmente dá uma capacidade de detecção alta para os grupos químicos e biológicos que interagem com as superfícies diferentes.

Além, CNTs é um candidato ideal para enchimentos em compostos do polímero. A engrenagem composta de trabalho a menor foi preparada misturando nanotubes em de nylon derretido e então injetando no molde minúsculo. Esta parte exibe uma força mecânica alta, uma resistência de abrasão alta e condutibilidade igualmente uma boa elétrica e térmica. Um progresso Mais Adicional tem que ser realizado a fim utilizar inteiramente este compostos do nanotube/polímero, por exemplo a optimização das propriedades de superfície, a dispersão homogênea sem dano físico, a revelação de um método eficaz do alinhamento (também método de avaliação) e processamento.

Um vedador de borracha super capaz de suportar a alta temperatura e a pressão foi fabricado com sucesso pelo Professor Morinobu Endo e seus colegas no Instituto da Ciência & da Tecnologia do Carbono. Isto foi feito incorporando nanotubes superfície-alterados na borracha11. Baseado em nossas avaliações e após ter examinado a profundidade e a temperatura dos recursos petrolíferos, a revelação de uma tecnologia de borracha super capaz de suportar 260°C sob MPa 239 da pressão contribuirá a um realce revolucionário na eficiência da recuperação do petróleo do 35% actual a mais de 70% escavando depósitos previamente inacessíveis.

Uma Outra aplicação potencial de CNT está na fabricação dos super-capacitores e dos actuadores eletroquímicos usados nos músculos artificiais. Os actuadores de Nanotube podem operar-se em baixas tensões e em temperaturas tão altas quanto 350°C. Actualmente, os super-capacitores são incorporados em veículos híbridos porque poderiam fornecer a aceleração rápida e armazenar a energia de quebra electricamente.

A possibilidade de usar CNTs como nanowires é previsto devido a seu transporte balístico observado. Para a fabricação de transistor de efeito de campo do nanotube, SWNTs foi conectado aos nano-eléctrodos do metal. O desempenho é excelente em termos da velocidade de interruptor devido a sua baixa capacidade. Um problema inerente associado com o CNT encontra-se na dificuldade em manipulá-lo. De um ponto de vista comercial, um progresso técnico mais adicional é exigido, como o crescimento selectivo dos nanotubes usando técnicas do auto-conjunto.

Carbono Nanotube Biocompatibility

Muita atenção era paga na toxicidade de CNTs devido a sua dimensão do nanoscale e a suas características morfológicas similares àquela do asbesto12,13. Conseqüentemente, a evidência toxicological de CNT é fortemente necessário impedir riscos e desordens ocupacionais nos trabalhadores e promover seu uso seguro nos produtos de consumo. Nossos estudos preliminares na resposta biológica de CNTs indicam que sua natureza tóxica potencial é significativamente baixa14,15. Contudo, um estudo mais completo e mais a longo prazo tem que ser conduzido para determinar a natureza tóxica de vários tipos de CNTs tais como a aspiração directa das câmaras de ar nos pulmões humanos.

Probabilidade

Estes minúsculo, pretos e tubular-tipo nanomaterials mudarão a maneira que nós vivemos, trabalhamos e nos comunicamos. Um grande número produtos CNT-derivados são já dentro uso e sua viabilidade depende fortemente do sucesso de sua comercialização.

Antes de considerar o uso de CNTs em produtos comerciais como um sucesso, pelo menos quatro obstáculos têm que ser resolved:

   1. Como obter a pureza alta CNTs como impurezas metálicas permaneça frequentemente depois que o processo da fabricação que pode causar propriedades tóxicas.
   2. Como manipular estes materiais minúsculos.
   3. Como controlar o chirality de CNT.
   4. A edição a mais importante mas a mais crítica da “segurança” tem que ser esclarecida baseou em estudos biológicos a longo prazo e sistemáticos.

Os esforços Extensivos e intensivos na academia e na indústria estão procurando uma solução a estes obstáculos e uma vez que uma solução foi alcançada, CNTs jogará um papel importante chave como um material inovativo do séculost 21 em um número de processos industriais.

Nós alcançamos além da primeira montanha da ciência, da segunda montanha da tecnologia e da terceira montanha da economia produzindo CNTs com sucesso em grande escala por um preço razoável (Fig. 3). Agora nós estamos esforçando-nos para escalar a montanha da sociedade. Compartilhando a informação em riscos e em benefícios de CNTs com todas as partes interessadas, nós alcançaremos finalmente a parte superior de uma montanha do nanotube e provar CNT é um material inovativo para o séculost 21.

A Figura 3. nanotube do Carbono como uma vanguarda da nanotecnologia deve ir além das quatro montanhas como uma tecnologia inovativa e fundamental do séculost 21. A colaboração Mundial na ciência é a questão básica para o sucesso.

Reconhecimento

Este trabalho estava na parte apoiada pelas concessões do CONJUNTO (segunda etapa) e do MEXT (Nenhuns 19002007), Japão.


Referências

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5. X. Sun, C.H. Kiang, M. Endo, K. Takeuchi, T. Furuta e M.S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 54, 1 (1996).
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Copyright AZoNano.com, Professor Morinobu Endo (Universidade de Shinshu)

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

Last Update: 14. June 2013 01:48

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