进展和透视图在碳 Nanotube 世界

由 Morinobu Endo 教授

学院教授内工程的 Morinobu,碳科学 & 技术信州大学,日本系和
对应的作者: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

在过去十年,纳米技术受到了许多注意从社团的内部作为新颖的解决方法的潜在的来源对许多世界的现有的和涌现的问题。 简而言之,纳米技术能提供这个能力更好了解和设计在一基本和分子等级的复杂解决方法。 最有吸引力的纳米技术关连的 nanomaterial 认为一维碳 nanotubes (CNT)。

几何上, CNT 可以通过滚 graphene 页形象化到一个长的空心小管。 此材料的唯一配置给予非常好的物理化学的属性1。 例如, CNT 的年轻的模数比其他材料僵硬,而他们的抗拉强度是钢的 100 次。 最大的电流密度比对于铜丝和载流子迁移率在不久的将来在许多应用的 Ca. 105 cm/Vs.2 CNTs 显示巨大承诺 100 次极大2 ,并且 CNT 非常好的属性已经导致他们的在商业可用的产品的使用。

当前, CNTs 的总计大小导致了商业上世界各地被达到的 Ca. 1,000 吨/年。 在此特写上, CNTs 基本的结构简要被描述,以及在大规模的生产的最新的预付款,对 nanotubes 的现有的商业用途复核与对 CNTs 的毒理学问题的特别重点。

什么是碳 Nanotube ?

CNT 可以形象化作为滚页 graphene (sp2 碳蜂窝格子) 到磁道毫微米范围直径 (图 1 (a))。 CNT 结构在与高分辨率透射电镜术 (图 1 (b)) 的早期测试3,并且得到的结果表示 nanotubes 是从蜂窝格子派生的无缝的 nanoscale 小管表示水晶石墨一块基本层,否则指 graphene 页。 nanotubes 的曲度合并少量的 sp3 接合,以便在周围方向的力常数沿 nanotube 轴轻微弱比。

图 1. (a) CNT 可能通过滚页形象化 graphene (sp2 碳蜂窝格子) 到毫微米范围直径磁道。 (b) CNT 结构由高分辨率透射电镜术在初期测试。

因为单一被围住的碳 nanotube (SWNT) 浓厚只是一个原子并且有很小数量的原子在其圆周附近,只有一些个波向量是需要的描述 nanotubes 的周期。 这些约束导致波函数的数量分娩在辐形和周围方向的,当平面波行动仅发生沿 nanotube 轴,与一个大数或接近留间隔的允许的波向量相应。

碳 nanotubes 可以金属或半导体,并且同样多墙壁 nanotubes 或单一墙壁 nanotube 捆绑各自的组成部分可以金属或半导体4。 这些卓越的电子属性从第 2 石墨电子结构按照在数量分娩下约束在周围方向的。

一旦多被围住的碳 nanotubes (MWNTs),典型地有一条直径较不比大约 100 毫微米,没有石墨三维堆积被设立5,即使多层的单个壳包括理想的 graphene 页。 并且,每支管有另外和独立 chirality,比在石墨也许造成一个更大的相互壳间隔被找到。 单一和多被围住的 CNTs 这些典型结构表明他们是与魅力电子,化工,机械和热量属性的唯一一维材料。

碳 Nanotubes 的工业规模生产

直到现在,生产的 CNTs 多种综合方法报告了 (即,弧光放电、激光汽化和催化作用的化学气相沉积 (CVD))。 因为此技术是非常有用的对 SWNTs 和 MWNTs 的大规模的生产,统治最近趋势是综合 CNTs 使用 CVD 途径。 3通过同时提供碳氢化合物和 nanoscale 在气相的催化作用的微粒到回应房间, CNTs 大规模地被综合了。 6

增长的 SWNTs 和 MWNTs 在反应器建议,并且这由六角 sp2 碳组织完善的小管微粒介入碳氢化合物的催化作用的证言在纳诺尺寸金属微粒表面和持续输出3,6。 此假定的有力的证据是催化作用的微粒出现在末端 (顶层或根) 的管 (图 2 (A.c.))。 一旦 SWNTs 的大规模的生产,高压一氧化碳进程的发展产生推动 SWNTs 的科学研究和应用7

图 2. 显示催化作用的微粒出现在管的末端。

关于 MWNTs 的批量生产行业应用的,提及是重要的在 1980年底, Showa-Denko Ltd Co. 和 Hyperion Catalysis International, Inc. (剑桥,麻省) 开始了几吨的生产催化作用上每年增长的 CNTs。 当前,商业可用的 MWNTs 的总计大小环球达到了 1,000 吨/年。 预计在 2015 的全球碳nanotube 收入将到达 US$500 百万8。 最有趣的点是所有公司为 MWNTs 的大规模的生产选择了一个催化作用的 CVD 方法。

碳 Nanotubes 的应用

由于他们小的维数和非常好的物理化学的属性, CNTs 为各种各样的应用建议。 某些 CNT 的潜在的应用包括多功能综合、电化学电极和附加、域放射器以及纳诺尺寸半导体设备2。 CNTs 也使用作为补白在锂离子副炮塔阳极和负极材料9,10

MWNTs 可以用于作为扫描探测显微镜技巧得到高分辨率图象,并且在不久的将来,稀薄的 MWNTs 将使用作为场致发射电子来源为平板显示器。 化工 functionalized MWNTs 也产生配合用不同的表面的化工和生物监测小组的一个高感觉的能力。

另外, CNTs 是补白的一名理想的候选人在聚合物综合。 最小的运转的综合齿轮通过混合 nanotubes 到溶解尼龙然后注射准备到这个微小的模子。 此部分陈列一种高机械强度、高抗磨强度并且好电子和导热性。 例如进一步进展必须被执行为了充分地使用这些 nanotube/聚合物综合,优化表面属性,同类的散射,不用实际故障,一个有效对准线方法 (也评估方法) 的发展和处理。

超级橡胶密封胶能够承受高温和压由 Morinobu Endo 和他的同事教授碳科学 & 技术学院的顺利地制造。 这由合并表面被修改的 nanotubes 完成到橡胶11。 基于我们的估计和在调查深度和温度以后石油资源,超级橡胶技术的发展能够承受 260°C 在 239 压 MPa 以下将造成在油恢复效率的一种革命改进从当前 35% 到超过 70% 通过挖掘以前不可访问的定金。

CNT 的另一种潜在的应用在用于人为肌肉和电化学致动器的生产超电容器。 Nanotube 致动器可能运行在低压和高温一样象 350°C。 目前,因为他们可能提供迅速加速度和电子,存储断裂能超电容器合并到混合动力车辆里。

使用作为 nanowires 的 CNTs 的可能性被想象的归结于他们的被观察的弹道运输。 对于生产 nanotube 场效应晶体管, SWNTs 被连接了到金属纳诺电极。 性能是非常好的根据交换速度由于他们的低电容。 一个内在的问题与 CNT 相关在操作他们的困难在。 使用自集合技术,从一个商业观点,进一步技术进步需要,例如 nanotubes 有选择性的增长。

碳 Nanotube Biocompatibility

注意是有偿的在 CNTs 有毒由于他们的 nanoscale 维数和他们的形态功能类似于那石棉12,13。 所以, CNT 的毒理学证据是严格需要的防止风险和职业紊乱在工作者和促进他们的安全使用在消费品。 我们关于 CNTs 生物回应的初步的研究指示他们潜在的含毒物本质是显着低的14,15。 然而,更加详尽和更加长期的研究必须进行确定 CNTs 的多种类型的含毒物本质例如管的直接志向在人力肺的。

外型

这些微小,黑色和筒形型的 nanomaterials 将更改我们居住,从事并且沟通的方式。 很大数量的 CNT 派生的产品已经是在使用中的,并且他们的生活能力严格取决于他们的商品化的成功。

在考虑使用前在商品的 CNTs 作为成功,至少四阻碍必须解决:

   1. 如何获得高纯度 CNTs 作为金属杂质经常请保持,在可能提升含毒物属性的制造进程后。
   2. 如何操作这些微小的材料。
   3. 如何控制 CNT 的 chirality。
   4. 最重要,但是最重要的 “安全性”问题必须澄清根据长期和系统的生物研究。

在学院和行业的广泛和密集工作成绩寻找一个解决方法对这些阻碍,并且,一旦解决方法被到达了, CNTs 将扮演关键重要作用作为 21 世纪创新材料st 在一定数量的工业生产方法。

我们在科学第一座山,技术第二座山和经济之外第三座山到达了通过成功生产 CNTs 大规模地合理费用 (图 3)。 现在我们努力攀登社团山。 通过共享关于 CNTs 的风险和福利的信息与所有利益相关者,我们终于将到达 nanotube 山的顶层,并且证明 CNT 是创新材料为这个 21st 世纪。

图 3. 作为前进的碳 nanotube 纳米技术必须超出四座山范围作为 21 世纪创新和根本技术st 。 在科学的全世界协作是成功的重要问题。

鸣谢

此工作字符串 (第二级) 和 MEXT 授予支持的一部分 (没有 19002007),日本。


参考

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3. A. Oberlin、 M. Endo 和 T. Koyama, J. 晶体成长 32, 335-349 (1976)。
4. R. Saito、 M.S. Dresselhaus 和 G. Dresselhaus,碳 Nanotubes,皇家学院新闻,伦敦物理属性 (1998)。
5. X. 太阳、 C.H. Kiang, M. Endo, K. Takeuchi, T. Furuta 和 M.S. Dresselhaus, Phys。 B 54, 1 (1996)。
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版权 AZoNano.com, Morinobu Endo (信州大学) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 01:09

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