Прогресс и Перспективы в Мире Nanotube Углерода

Профессором Morinobu Endo

Профессор Morinobu Endo, Факультет Инджиниринга и Институт Науки Углерода & Технологии, Университета Shinshu, Японии
Соответствуя автор: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

Над последней декадой, нанотехнология получила серии внимания изнутри общества как потенциальный источник для романных разрешений к много из проблем мира существуя и вытекая. Просто положено, нанотехнология смогла обеспечить способность более лучше понять и конструировать сложные разрешения на атомном и молекулярном маштабе. Рассмотрены, что будет самый привлекательный нанотехнология-родственный nanomaterial одноразмерными nanotubes углерода (CNT).

Геометрически, CNT может быть визуализировано путем свертывать листы graphene в длинний полый tubule. Уникально конфигурация этого материала imparts превосходные свойства физико--химиката1. На пример, Young модуль CNT жестке чем любой другой материал, пока их прочность на растяжение 100 времен которые стали. Maximal электрическая концентрация тока 100 времен большле чем для удобоподвижности медного провода и несущей посыл выставки CA.2 105 cm/Vs. CNTs большой в многочисленних применениях в ближайшее время2 и превосходные свойства CNT уже приводили к в их пользе в коммерчески доступных продуктах.

В настоящее время, полная сумма CNTs произвела коммерчески от вокруг достигли миром, котор тонны CA. 1.000/года. В этом очерке, основная структура CNTs кратко описана, так же, как самые последние выдвижения в крупносерийное производство, существующие коммерческие использования nanotubes расмотрены с особым акцентом на токсикологическом вопросе CNTs.

Что Углерод Nanotube?

CNT можно визуализировать как листы завальцовки graphene (решетки сота углерода sp2) в цилиндр диаметра размера нанометра (FIG. 1 (a)). Структура CNT была исследована в в начале года с электронной просвечивающей микроскопией высок-разрешения (FIG. 1 (b))3, и полученные результаты показывают что nanotubes безшовные tubules nanoscale выведенные от решетки сота представляя одиночный атомный слой кристаллического графита, в противном случае названо лист graphene. Погнутость nanotubes включает небольшое количество выпуска облигаций sp3 так, что коэффициент упругой связи в окружном направлении будет немножко слабе чем вдоль оси nanotube.

Диаграмма 1. (a) CNT смогла быть визуализирована путем свертывать листы graphene (решетки сота углерода sp2) в цилиндр диаметра размера нанометра. (b) Структура CNT была исследована раньше дальше электронной просвечивающей микроскопией высок-разрешения.

В Виду Того Что одиночн-огороженное nanotube углерода (SWNT) только один атом толщиной и имеет немного атомов вокруг своей окружности, только немного векторов волны необходимы для того чтобы описать периодичность nanotubes. Эти ограничения водят к удерживанию суммы волновых функций в радиальных и окружных направлениях, при плоское волновое движение происходя только вдоль оси nanotube, соответствие к большому количеству или близко расположенный позволенным векторам волны.

Nanotubes Углерода могут быть или металлическими или semiconducting, и также индивидуальные составы nanotubes multi-стены или одностеночных пачек nanotube могут быть металлическими или semiconducting4. Эти замечательные электронные свойства следовать от электронной структуры 2D графита под ограничениями удерживания суммы в окружном направлении.

В случае multi-огороженных nanotubes углерода (MWNTs), которые типично имеют диаметр более менее чем вокруг 100 nm, не установлен графитообразный трехмерный штабелировать5, даже если индивидуальная раковина multi слоев состоит из совершенных листов graphene. Также, каждая пробка имеет различную и независимое chirality, которое могло внести вклад в более большое дистанционирование взаимо--раковины чем находит в графите. Эти характерные структуры одиночного и multi-огороженного CNTs показывают что они уникально одноразмерные материалы с завораживающий электронными, химическими, механически, и термальными свойствами.

Продукция Промышленного Масштаба Углерода Nanotubes

Вверх По до теперь, не будут сообщены различные синтетические методы для производить CNTs (например, разрядка дуги, испарение лазера и каталитическое низложение химического пара (CVD)). Доминантная недавняя тенденция синтезировать CNTs используя подход к CVD в виду того что этот метод весьма полезн для крупносерийного производства как SWNTs, так и MWNTs. 3одновременно подавать углероды и nanoscale каталитические частицы в участке газа в камеру реакции, CNTs были синтезированы на широкомасштабном. 6

Были предложены SWNTs и MWNTs в реакторе и это включает каталитическое низложение углеродов над поверхностью nano-определенных размер частиц металла и длительной мощностью частицой хорошо организованного tubule шестиугольного sp2-carbon3,6. Убедительное доказательство этого предположения присутсвие каталитических частиц на концах (верхняя часть или корень) пробок (FIG. 2 (A.C.)). В случае крупносерийного производства SWNTs, развитие высоконапорного процесса окиси углерода дало стимул к научным изучению и применениям SWNTs7.

На Диаграмму 2. показано присутсвие каталитических частиц на концах пробок.

Относительно навальной продукции MWNTs для промышленных применений, важно упомянуть что в конце 1980, Showa-Denko CO. Ltd и Hyperion Катализирование Международн, Inc. (Кембридж, MA) начало продукцию нескольких тонн каталитически, котор росли CNTs однолетн. В настоящее время, полная сумма имеющего на рынке MWNTs вокруг мира достигала 1.000 тонн/год. Предположено что глобальный доход углерода-nanotube в 2015 достигнет US$500 миллион8. Самый интересный пункт что все компании выбрали каталитический метод CVD для крупносерийного производства MWNTs.

Применение Углерода Nanotubes

Должно к их малым размерам и превосходным physicochemical свойствам, CNTs предложите для широкого диапазона применений. Некоторые из потенциальных применений CNT включают многофункциональные смеси, электрохимические электроды и/или добавки, излучатели поля так же, как nano-определенные размер полупроводниковые устройства2. CNTs также использовано как заполнители и в материалах анода и катода батарей лити-иона вторичных9,10.

MWNTs можно использовать как подсказки микроскопа зонда скеннирования для того чтобы получить изображения высок-разрешения и в ближайшее время, тонкое MWNTs будет использовано как источники электрона излучения поля для плоских экранов. Химически functionalized MWNTs также дает высокую воспринимая способность для химических и биологических групп взаимодействуя с различными поверхностями.

В добавлении, CNTs идеально выбранный для заполнителей в смесях полимера. Самая малая работая составная шестерня была подготовлена путем смешивать nanotubes в жидкий нейлон и после этого впрыскивать в малюсенькую прессформу. Эта часть показывает высокую механически прочность, высокое сопротивление ссадины и также хорошую электрическую и термальную проводимость. Более Дальнеиший прогресс должен быть унесен полно для того чтобы использовать эт смеси nanotube/полимера, например оптимизирование поверхностных свойств, однотиповое рассеивание без физического повреждения, развитие эффективного метода выравнивания (также метода оценки) и обрабатывать.

Супер резиновый sealant способный выдерживать high-temperature и давление успешно был изготовлен Профессором Morinobu Endo и его коллегаами на Институте Науки & Технологии Углерода. Это было сделано путем включать поверхност-доработанные nanotubes в резину11. Основано на наших предварительных подчетах и после производить съемку глубины и температуры нефтяных ресурсов, развитие супер резиновой технологии способной выдерживать 260°C под 239 MPa давления будет внести вклад в революционное повышение в эффективности спасения масла от настоящее 35% к больше чем 70% путем копать ранее труднопоступные залеми экскаватором.

Другое потенциальное применение CNT в изготовлении супер-конденсаторов и электрохимических приводов используемых в искусственних мышцах. Приводы Nanotube могут работать на низших напряжениях и температурах как высоких как 350°C. В Настоящее Время, супер-конденсаторы включены в гибридные корабли по мере того как они смогли обеспечить быстрое ускорение и сохранить ломая энергию электрически.

Возможность использования CNTs как nanowires envisaged должные к их наблюдаемому баллистическому переходу. Для изготовления транзисторов влияния поля nanotube, SWNTs было соединено к nano-электродам металла. Представление превосходно оперируя понятиями скорости переключения вследствие их низкой емкости. Своиственная проблема связанная с CNT лежит в затруднении в манипулировать их. От коммерчески точки зрения, более дополнительный технический прогресс необходим, как селективный рост nanotubes используя методы собственн-агрегата.

Углерод Nanotube Biocompatibility

Много внимания было оплащено на токсичности CNTs должной к их размеру nanoscale и их морфологическим характеристикам подобным к тому из азбеста12,13. Поэтому, токсикологическое доказательство CNT сильно необходимо для того чтобы предотвратить риски и оккупационные разлады в работниках и повысить их безопасную пользу в продуктах потребления. Наши предварительные изучения на биологической реакции CNTs показывают что их потенциальная токсическая природа значительно низка14,15. Однако, более тщательное и более долгосрочное изучение должно быть дирижировано для того чтобы определить токсическую природу различных типов CNTs как сразу устремленность пробок в людских легких.

Внешний Вид

Эти малюсенькое, черные и трубчат-тип nanomaterials изменят путь мы живем, работаем и связываем. Большое количество CNT-выведенных продуктов уже внутри польза и их быть в зависимости от выживаемости сильно успех их коммерциализации.

Перед рассмотрением пользы CNTs в коммерческих продучтах как успех, хотя бы 4 препоны должны быть resolved:

   1. Как получить особую чистоту CNTs как металлические примеси часто оставайте после того как процесс изготовления который может дать подъем к токсическим свойствам.
   2. Как манипулировать эти малюсенькие материалы.
   3. Как контролировать chirality CNT.
   4. Самый важный но самый критический вопрос «безопасности» должен быть уточюнен основал на долгосрочных и систематических биологических изучениях.

Обширные и интенсивнейшие усилия как в академии, так и в индустрии ищут разрешение к этим препонам и как только разрешение достигалось, CNTs сыграет ключевую важную роль как новаторский материал столетияst 21 в нескольких промышленных процессов.

Мы достигали за первой горой науки, второй горой технологии и третей горой экономии путем производить CNTs успешно на широкомасштабном по разумной цене (FIG. 3). Теперь мы стремимся взобраться гора общества. Путем делить информацию на рисках и преимуществах CNTs с всеми держателями заклада, мы окончательно достигнем верхнюю часть горы nanotube и доказать CNT новаторский материал на столетиеst 21.

Диаграмма 3. nanotube Углерода как ведущая кромка нанотехнологии должна пойти за 4 горами как новаторская и основная технология столетияst 21. Всемирное сотрудничество на науке ключевой вопрос для успеха.

Подтверждение

Эта работа находилась в части поддержанной дарами ГРУППЫ (второго этапа) и MEXT (Отсутствие 19002007), Японии.


Справки

1. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus и P.C. Eklund, Наука Fullerenes и Углерода Nanotubes, Академической Прессы, Сан-Диего (1996).
2. M. Endo, M.S. Strano, P.M. Ajayan, В Углероде Nanotubes: Предварительные Темы в Синтезе, Структуре, Свойствах и Применениях (Eds, A. Jorio, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus), Спрингере, 2008, pp 13-61.
3. A. Oberlin, M. Endo и T. Koyama, Выращивание Кристаллов 32 J., 335-349 (1976).
4. R. Saito, M.S. Dresselhaus и G. Dresselhaus, Физические Свойства Углерода Nanotubes, Имперского Давления Коллежа, Лондона (1998).
5. X. Солнце, C.H. Kiang, M. Endo, K. Takeuchi, T. Furuta и M.S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 54, 1 (1996).
6. M. Endo, Chem. Техник. 568-576 (1988).
7. P. Nikolaev, M.J. Bronikowski, R.K. Брэдли, F. Rohmund, D.T. Colbert, K.A. Смит, R.E. Smalley, Chem. Phys. Lett. 313, 91 (1999).
8. Вахта Дела, Природа 461, 703 (2009).
9. M. Endo, Y.A. Ким, T. Hayashi, K. Nishimura, T. Matushita, K. Miyashita и M.S. Dresselhaus, Углерод 39, 1287-1297 (2001).
10. C. Sotowa, G. Origi, M. Takeuchi, Y. Nishimura, K. Takeuchi, I.Y. Jang, Y.J. Ким, T. Hayashi, Y.A. Ким, M. Endo, M.S. Dresselhaus, ChemSusChem 1, 911-915 (2008).
11. M. Endo, T. Noguchi, M. Ito, K. Takeuchi, T. Hayashi, Y.A. Ким, T. Wanibuchi, H. Jinnai, M. Terrones, M.S. Dresselhaus, Adv. Funct. Mater. 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. A. Польша C., R. Duffin, I. Kinloch, A. Maynard, W.A.H. Уоллас, A. Seaton, Nat. Nanotech. 3, 216-221 (2008).
14. S. Koyama, M. Endo, Y.A. Ким, T. Hayashi, T. Yanagisawa, K. Осака, H. Koyama, N. Kuroiwa, Углерод 44, 1079-1092 (2006).
15. S. Koyama, Y.A. Ким, T. Hayashi, K. Takeuchi, C. Fujii, N. Kuroiwa, H. Koyama, T. Tukahara, M. Endo, Углерод 47, 1365-1372 (2009).

Авторское Право AZoNano.com, Профессор Morinobu Endo (Университет Shinshu)

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

Last Update: 14. June 2013 01:52

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit