進展和透視圖在碳 Nanotube 世界

由 Morinobu Endo 教授

學院教授內工程的 Morinobu,碳科學 & 技術信州大學,日本系和
對應的作者: endo@endomoribu.shinshu-u.ac.jp

在過去十年,納米技術受到了許多注意從社團的內部作為新穎的解決方法的潛在的來源對許多世界的現有的和湧現的問題。 簡而言之,納米技術能提供這個能力更好瞭解和設計在一基本和分子等級的複雜解決方法。 最有吸引力的納米技術關連的 nanomaterial 認為一維碳 nanotubes (CNT)。

幾何上, CNT 可以通過滾 graphene 頁形象化到一個長的空心小管。 此材料的唯一配置給予非常好的物理化學的屬性1。 例如, CNT 的年輕的模數比其他材料僵硬,而他們的抗拉強度是鋼的 100 次。 最大的電流密度比對於銅絲和載流子遷移率在不久的將來在許多應用的 Ca. 105 cm/Vs.2 CNTs 顯示巨大承諾 100 次極大2 ,并且 CNT 非常好的屬性已經導致他們的在商業可用的產品的使用。

當前, CNTs 的總計大小導致了商業上世界各地被達到的 Ca. 1,000 噸/年。 在此特寫上, CNTs 基本的結構簡要被描述,以及在大規模的生產的最新的預付款,對 nanotubes 的現有的商業用途覆核與對 CNTs 的毒理學問題的特別重點。

什麼是碳 Nanotube ?

CNT 可以形象化作為滾頁 graphene (sp2 碳蜂窩格子) 到磁道毫微米範圍直徑 (圖 1 (a))。 CNT 結構在與高分辨率透射電鏡術 (圖 1 (b)) 的早期測試3,并且得到的結果表示 nanotubes 是從蜂窩格子派生的無縫的 nanoscale 小管表示水晶石墨一塊基本層,否則指 graphene 頁。 nanotubes 的曲度合併少量的 sp3 接合,以便在周圍方向的力常數沿 nanotube 軸輕微弱比。

圖 1. (a) CNT 可能通過滾頁形象化 graphene (sp2 碳蜂窩格子) 到毫微米範圍直徑磁道。 (b) CNT 結構由高分辨率透射電鏡術在初期測試。

因為單一被圍住的碳 nanotube (SWNT) 濃厚只是一個原子并且有很小數量的原子在其圓周附近,只有一些個波向量是需要的描述 nanotubes 的週期。 這些約束導致波函數的數量分娩在輻形和周圍方向的,当平面波行動仅發生沿 nanotube 軸,與一個大數或接近留間隔的允許的波向量相應。

碳 nanotubes 可以金屬或半導體,并且同樣多牆壁 nanotubes 或單一牆壁 nanotube 捆綁各自的組成部分可以金屬或半導體4。 這些卓越的電子屬性從第 2 石墨電子結構按照在數量分娩下約束在周圍方向的。

一旦多被圍住的碳 nanotubes (MWNTs),典型地有一條直徑較不比大約 100 毫微米,沒有石墨三維堆積被設立5,即使多層的單個殼包括理想的 graphene 頁。 並且,每支管有另外和獨立 chirality,比在石墨也許造成一個更大的相互殼間隔被找到。 單一和多被圍住的 CNTs 這些典型結構表明他們是與魅力電子,化工,機械和熱量屬性的唯一一維材料。

碳 Nanotubes 的工業規模生產

直到現在,生產的 CNTs 多種綜合方法報告了 (即,弧光放電、激光汽化和催化作用的化學氣相沉積 (CVD))。 因為此技術是非常有用的對 SWNTs 和 MWNTs 的大規模的生產,統治最近趨勢是綜合 CNTs 使用 CVD 途徑。 3通過同時提供碳氫化合物和 nanoscale 在氣相的催化作用的微粒到回應房間, CNTs 大規模地被綜合了。 6

增長的 SWNTs 和 MWNTs 在反應器建議,并且這由六角 sp2 碳組織完善的小管微粒介入碳氫化合物的催化作用的證言在納諾尺寸金屬微粒表面和持續輸出3,6。 此假定的有力的證據是催化作用的微粒出現在末端 (頂層或根) 的管 (圖 2 (A.c.))。 一旦 SWNTs 的大規模的生產,高壓一氧化碳進程的發展產生推動 SWNTs 的科學研究和應用7

圖 2. 顯示催化作用的微粒出現在管的末端。

關於 MWNTs 的批量生產行業應用的,提及是重要的在 1980年底, Showa-Denko Ltd Co. 和 Hyperion Catalysis International, Inc. (劍橋,麻省) 開始了幾噸的生產催化作用上每年增長的 CNTs。 當前,商業可用的 MWNTs 的總計大小環球達到了 1,000 噸/年。 預計在 2015 的全球碳nanotube 收入將到達 US$500 百萬8。 最有趣的點是所有公司為 MWNTs 的大規模的生產選擇了一個催化作用的 CVD 方法。

碳 Nanotubes 的應用

由於他們小的維數和非常好的物理化學的屬性, CNTs 為各種各樣的應用建議。 某些 CNT 的潛在的應用包括多功能綜合、電化學電極和附加、域放射器以及納諾尺寸半導體設備2。 CNTs 也使用作為補白在鋰離子副砲塔陽極和負極材料9,10

MWNTs 可以用於作為掃描探測顯微鏡技巧得到高分辨率圖像,并且在不久的將來,稀薄的 MWNTs 將使用作為場致發射電子來源為平板顯示器。 化工 functionalized MWNTs 也產生配合用不同的表面的化工和生物監測小組的一個高感覺的能力。

另外, CNTs 是補白的一名理想的候選人在聚合物綜合。 最小的運轉的綜合齒輪通過混合 nanotubes 到溶解尼龍然後注射準備到這個微小的模子。 此部分陳列一種高機械強度、高抗磨強度並且好電子和導熱性。 例如進一步進展必須被執行為了充分地使用這些 nanotube/聚合物綜合,優化表面屬性,同類的散射,不用實際故障,一個有效對準線方法 (也評估方法) 的發展和處理。

超級橡膠密封膠能够承受高溫和壓由 Morinobu Endo 和他的同事教授碳科學 & 技術學院的順利地製造。 這由合併表面被修改的 nanotubes 完成到橡膠11。 基於我們的估計和在調查深度和溫度以後石油資源,超級橡膠技術的發展能够承受 260°C 在 239 壓 MPa 以下將造成在油恢復效率的一種革命改進從當前 35% 到超過 70% 通過挖掘以前不可訪問的定金。

CNT 的另一種潛在的應用在用於人為肌肉和電化學致動器的生產超電容器。 Nanotube 致動器可能運行在低壓和高溫一樣像 350°C。 目前,因為他們可能提供迅速加速度和電子,存儲斷裂能超電容器合併到混合動力車輛裡。

使用作為 nanowires 的 CNTs 的可能性被想像的歸結於他們的被觀察的彈道運輸。 對於生產 nanotube 場效應晶體管, SWNTs 被連接了到金屬納諾電極。 性能是非常好的根據交換速度由於他們的低電容。 一個內在的問題與 CNT 相關在操作他們的困難在。 使用自集合技術,從一個商業觀點,進一步技術進步需要,例如 nanotubes 有選擇性的增長。

碳 Nanotube Biocompatibility

注意是有償的在 CNTs 有毒由於他們的 nanoscale 維數和他們的形態功能類似於那石棉12,13。 所以, CNT 的毒理學證據是嚴格需要的防止風險和職業紊亂在工作者和促進他們的安全使用在消費品。 我們關於 CNTs 生物回應的初步的研究指示他們潛在的含毒物本質是顯著低的14,15。 然而,更加詳盡和更加長期的研究必須進行確定 CNTs 的多種類型的含毒物本質例如管的直接志向在人力肺的。

外型

這些微小,黑色和筒形型的 nanomaterials 將更改我們居住,從事并且溝通的方式。 很大數量的 CNT 派生的產品已經是在使用中的,并且他們的生活能力嚴格取決於他們的商品化的成功。

在考慮使用前在商品的 CNTs 作為成功,至少四阻礙必須解決:

   1. 如何獲得高純度 CNTs 作為金屬雜質經常请保持,在可能提升含毒物屬性的製造進程後。
   2. 如何操作這些微小的材料。
   3. 如何控制 CNT 的 chirality。
   4. 最重要,但是最重要的 「安全性」問題必須澄清根據長期和系統的生物研究。

在學院和行業的廣泛和密集工作成績尋找一個解決方法對這些阻礙,并且,一旦解決方法被到達了, CNTs 將扮演關鍵重要作用作為 21 世紀創新材料st 在一定數量的工業生產方法。

我們在科學第一座山,技術第二座山和經濟之外第三座山到達了通過成功生產 CNTs 大規模地合理費用 (圖 3)。 現在我們努力攀登社團山。 通過共享關於 CNTs 的風險和福利的信息與所有利益相關者,我們終於將到達 nanotube 山的頂層,并且證明 CNT 是創新材料為這個 21st 世紀。

圖 3. 作為前進的碳 nanotube 納米技術必須超出四座山範圍作為 21 世紀創新和根本技術st 。 在科學的全世界協作是成功的重要問題。

鳴謝

此工作字符串 (第二級) 和 MEXT 授予支持的一部分 (沒有 19002007),日本。


參考

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版權 AZoNano.com, Morinobu Endo (信州大學) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 01:12

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