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Kohlenstoffnanoröhre - Wikipedia




Rotierende einwandige Zick-Zack-Kohlenstoffnanoröhren


Kohlenstoffnanoröhren ( CNTs ) sind Allotrope von Kohlenstoff mit zylindrischer Nanostruktur. Diese zylindrischen Kohlenstoffmoleküle haben ungewöhnliche Eigenschaften, die für die Nanotechnologie, Elektronik, Optik und andere Bereiche der Materialwissenschaft und -technologie von Wert sind. Aufgrund der außergewöhnlichen Festigkeit und Steifigkeit des Materials wurden Nanoröhren mit einem Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von bis zu 132.000.000: 1 konstruiert, [1] das deutlich größer ist als bei jedem anderen Material.

Darüber hinaus finden Kohlenstoffnanoröhrchen aufgrund ihrer außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit und ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften Anwendung als Zusatz zu verschiedenen Strukturmaterialien. Zum Beispiel bilden Nanoröhren einen winzigen Teil des Materials / der Materialien in einigen Baseballschlägern (vorwiegend Kohlefasern), Golfschlägern, Autoteilen oder Damaststahl. [2] [3] [3]

Nanotubes sind Mitglieder der Fullerenstrukturfamilie. Ihr Name leitet sich von ihrer langen, hohlen Struktur ab, deren Wände aus ein Atom dicken Kohlenstoffplatten (Graphen) bestehen. Diese Bleche werden in spezifischen und diskreten ("chiralen") Winkeln gewalzt, und die Kombination von Rollwinkel und Radius entscheidet über die Eigenschaften der Nanoröhrchen, beispielsweise ob die einzelne Nanoröhrenschale ein Metall oder ein Halbleiter ist. Nanoröhren werden als einwandige Nanoröhren (SWNTs) und mehrwandige Nanoröhren (MWNTs) bezeichnet. Einzelne Nanoröhrchen richten sich auf natürliche Weise in "Seilen" aus, die durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden, insbesondere durch Pi-Stacking.

Angewandte Quantenchemie, insbesondere Orbitalhybridisierung, beschreibt die chemische Bindung in Nanoröhren am besten. Die chemische Bindung von Nanoröhren umfasst vollständig sp 2 -Hybridkohlenstoffatome. Diese Bindungen, die denen von Graphit ähnlich sind und stärker sind als diejenigen in Alkanen und Diamanten (die sp 3 - Hybridkohlenstoffatome verwenden), verleihen Nanotubes ihre einzigartige Stärke.



Arten von Kohlenstoffnanoröhren und verwandten Strukturen [ edit ]


In einigen Begriffen, die Kohlenstoffnanoröhren in der wissenschaftlichen Literatur beschreiben, besteht kein Konsens: Sowohl "wall" als auch "walled" sind in Kombination mit "einfach", "doppelt", "dreifach" oder "multi" verwendet wird und der Buchstabe C in der Abkürzung oft weggelassen wird, zum Beispiel mehrwandige Kohlenstoffnanoröhre (MWNT).


einwandig [ edit ]









  • Der Translationsvektor ist gebogen, während der chirale Vektor gerade bleibt











  • Der chirale Vektor ist gebogen, während der Translationsvektor gerade bleibt















  • n und m können am Ende der Röhre gezählt werden








Das (19459014] n m ) Namensschema für Nanoröhren kann als Vektor ( C h ) in einem unendlichen Graphenblatt betrachtet werden beschreibt, wie man das Graphenblatt "aufrollen" kann, um die Nanoröhre herzustellen. T bezeichnet die Röhrenachse und a 1 und a 2 sind die Einheitsvektoren von Graphen im realen Raum.



wobei a = 0,246 nm ist.

SWNTs sind eine wichtige Varietät von Kohlenstoffnanoröhren, da sich ihre Eigenschaften mit den Werten von [ [ signifikant ändern, und diese Abhängigkeit ist nicht monoton (siehe Kataura-Diagramm) ). Insbesondere kann ihre Bandlücke von null bis etwa 2 eV variieren und ihre elektrische Leitfähigkeit kann metallisches oder halbleitendes Verhalten zeigen. Einwandige Nanoröhren sind wahrscheinlich Kandidaten für die Miniaturisierung von Elektronik. Der grundlegendste Baustein dieser Systeme ist ein elektrischer Draht, und SWNTs mit Durchmessern in der Größenordnung von Nanometern können ausgezeichnete Leiter sein. [4][5] Eine nützliche Anwendung von SWNTs ist die Entwicklung der ersten intermolekularen Feldeffekttransistoren (FET) ). Das erste intermolekulare Logikgatter, das SWCNT-FETs verwendet, wurde 2001 hergestellt. [6] Ein Logikgatter erfordert sowohl einen p-FET als auch einen n-FET. Da SWNTs andernfalls p-FETs sind, wenn sie Sauerstoff und n-FETs ausgesetzt sind, ist es möglich, die Hälfte eines SWNT Sauerstoff auszusetzen und die andere Hälfte davor zu schützen. Die resultierende SWNT fungiert als - nicht -Logik mit sowohl p- als auch n-FETs im gleichen Molekül.

Die Preise für einwandige Nanoröhrchen sanken von 2000 Dollar pro Gramm ab 2000 auf etwa 50 USD pro Gramm der produzierten SWNTs von 40 bis 60 Gew .-% ab März 2010. Ab 2016 betrug der Einzelhandelspreis von Die produzierten SWNTs mit 75 Gew .-% betrugen 2 US-Dollar pro Gramm und waren für eine breite Verwendung billig. [7] Prognosen zufolge sollen SWNTs in Elektronikanwendungen bis 2020 einen großen Einfluss haben, wie aus dem Bericht The Global Market for Carbon Nanotubes hervorgeht .


Mehrwandige [ edit ]



Dreiwandiger Carbon-Nanotubesessel

Mehrwandige Nanoröhren (MWNTs) bestehen aus mehreren gewalzten Schichten (konzentrischen Röhren) aus Graphen. Es gibt zwei Modelle, mit denen sich die Strukturen von mehrwandigen Nanoröhren beschreiben lassen. In dem Modell Russian Doll sind Graphitbleche in konzentrischen Zylindern angeordnet, z. B. eine (0,8) einwandige Nanoröhre (SWNT) innerhalb einer größeren (0,17) einwandigen Nanoröhre. In dem Modell Pergament wird ein einzelner Graphitbogen um sich selbst herum gerollt, der einer Pergamentrolle oder einer gerollten Zeitung ähnelt. Der Abstand zwischen den Schichten in mehrwandigen Nanoröhren liegt nahe dem Abstand zwischen den Graphenschichten in Graphit, etwa 3,4 Å. Die russische Puppenstruktur wird häufiger beobachtet. Seine einzelnen Hüllen können als SWNTs bezeichnet werden, die metallisch oder halbleitend sein können. Wegen der statistischen Wahrscheinlichkeit und der Beschränkungen für die relativen Durchmesser der einzelnen Röhren ist eine der Hüllen und somit die gesamte MWNT normalerweise ein Metall mit Null-Lücke. [8]

Doppelwandiger Kohlenstoff Nanoröhren (DWNTs) bilden eine spezielle Klasse von Nanoröhren, da ihre Morphologie und Eigenschaften denen von SWNTs ähneln, sie jedoch resistenter gegen Chemikalien sind. Zitat erforderlich Dies ist besonders wichtig, wenn Es ist notwendig, chemische Funktionen auf die Oberfläche der Nanoröhren zu pfropfen (Funktionalisierung), um dem CNT Eigenschaften zu verleihen. Die kovalente Funktionalisierung von SWNTs bricht einige C = C-Doppelbindungen auf und hinterlässt "Löcher" in der Struktur auf der Nanoröhre. Dadurch werden sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Eigenschaften verändert. Bei DWNTs wird nur die Außenwand geändert. Die DWNT-Synthese im Gramm-Maßstab durch die CCVD-Technik wurde erstmals [9] aus der selektiven Reduktion von Oxidlösungen in Methan und Wasserstoff vorgeschlagen.

Die teleskopartige Bewegungsfähigkeit von Innenschalen [10] und ihre einzigartigen mechanischen Eigenschaften [11] werden die Verwendung von mehrwandigen Nanoröhrchen als die wichtigsten beweglichen Arme in zukünftigen nanomechanischen Geräten ermöglichen. [ Spekulation? 19659065]] Die bei der Teleskopbewegung auftretende Rückzugskraft wird durch die Lennard-Jones-Wechselwirkung zwischen Schalen verursacht und beträgt etwa 1,5 nN. [12]


Verbindungen und Vernetzung [ edit ]


Bild eines Transmissionselektronenmikroskops von Kohlenstoffnanoröhrenübergängen

Übergänge zwischen zwei oder mehr Nanoröhren wurden theoretisch ausführlich diskutiert. [13][14] Solche Übergänge werden häufig in Proben beobachtet, die durch Bogenentladung sowie durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden. Die elektronischen Eigenschaften solcher Übergänge wurden zunächst von Lambin et al. [15] theoretisch betrachtet, wobei darauf hingewiesen wurde, dass eine Verbindung zwischen einer metallischen Röhre und einer halbleitenden Röhre einen nanoskaligen Heteroübergang darstellen würde. Eine solche Verbindung könnte daher eine Komponente einer elektronischen Schaltung auf Nanoröhrenbasis bilden. Das nebenstehende Bild zeigt eine Verbindung zwischen zwei mehrwandigen Nanotubes.
Verbindungen zwischen Nanoröhren und Graphen wurden theoretisch betrachtet [16] aber experimentell nicht umfassend untersucht. Solche Verbindungen bilden die Grundlage für Pilled Graphen, bei dem parallele Graphenbleche durch kurze Nanoröhren getrennt werden. [17] Pillared Graphen stellt eine Klasse von dreidimensionalen Kohlenstoffnanoröhrenarchitekturen dar.


In jüngster Zeit haben mehrere Studien die Aussicht auf Verwendung von Kohlenstoff hervorgehoben Nanoröhrchen als Bausteine ​​zur Herstellung von dreidimensionalen makroskopischen (> 100 nm in allen drei Dimensionen) Vollcarbon-Bauelementen. Lalwani et al. haben ein neuartiges radikalisch initiiertes thermisches Vernetzungsverfahren zur Herstellung makroskopischer, freistehender, poröser Vollcarbon-Gerüste unter Verwendung von ein- und mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen als Bausteinen beschrieben. [18] Diese Gerüste besitzen Makro-, Mikro- und Geruchselemente nanostrukturierte Poren, und die Porosität kann für spezifische Anwendungen angepasst werden. Diese 3D-All-Carbon-Gerüste / -Architekturen können zur Herstellung von Energiespeichern der nächsten Generation, Superkondensatoren, Feldemissionstransistoren, Hochleistungskatalyse, Photovoltaik und biomedizinischen Geräten und Implantaten verwendet werden. [19]


Andere Morphologien edit ]



Kohlenstoffnanobuds sind ein neu erstelltes Material, das zwei zuvor entdeckte Allotrope des Kohlenstoffs kombiniert: Kohlenstoffnanoröhrchen und Fullerene. In diesem neuen Material sind Fulleren-artige "Knospen" kovalent an die äußeren Seitenwände der darunter liegenden Kohlenstoffnanoröhre gebunden. Dieses Hybridmaterial hat nützliche Eigenschaften sowohl für Fullerene als auch für Kohlenstoffnanoröhren. Insbesondere haben sie sich als außergewöhnlich gute Feldemitter erwiesen. [20] In Verbundwerkstoffen können die angefügten Fullerenmoleküle als molekulare Anker fungieren, die ein Verrutschen der Nanoröhren verhindern und so die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs verbessern.

Ein Kohlenstoffrohr [21][22] ist ein neuartiges Hybridkohlenstoffmaterial, das Fulleren in einer Kohlenstoffnanoröhre einfängt. Es kann bei Erwärmung und Bestrahlung interessante magnetische Eigenschaften besitzen. Es kann auch als Oszillator bei theoretischen Untersuchungen und Vorhersagen verwendet werden. 19459116 [23] [24]

Theoretisch handelt es sich bei einem Nanotorus um einen in einen Ring gebogenen Nanotubus (Donut) gestalten). Es wird vorausgesagt, dass Nanotori viele einzigartige Eigenschaften haben, wie z. B. 1000-mal größere magnetische Momente als zuvor für bestimmte Radien erwartet. [25] Eigenschaften wie magnetisches Moment, thermische Stabilität usw. variieren stark in Abhängigkeit vom Torusradius und dem Radius des Torus Radius der Röhre. [25] [26]

Graphenierte Kohlenstoffnanoröhrchen sind ein relativ neues Hybrid, das Graphitfolien verbindet, die entlang der Seitenwände von CNTs im Mehrwand- oder Bambusstil wachsen. Die Blattdichte kann in Abhängigkeit von den Ablagerungsbedingungen (z. B. Temperatur und Zeit) variieren, wobei ihre Struktur von wenigen Graphenschichten (<10) bis zu dickeren, graphitähnlicheren Schichten reicht. [27] Der grundlegende Vorteil eines integrierten Graphens Die -CNT-Struktur ist das dreidimensionale Gerüst mit hoher Oberfläche der CNTs in Verbindung mit der hohen Kantendichte von Graphen. Die Ablagerung einer hohen Dichte von Graphenfoliaten entlang der Länge von ausgerichteten CNTs kann die Gesamtladungskapazität pro Einheit der nominalen Fläche im Vergleich zu anderen Kohlenstoffnanostrukturen signifikant erhöhen. [28]

Kohlenstoff-Nanoröhren mit gestapelten Schichten ( CSCNTs) unterscheiden sich von anderen Quasi-1D-Kohlenstoffstrukturen, die sich normalerweise als quasimetallische Leiter von Elektronen verhalten. CSCNTs zeigen halbleitendes Verhalten aufgrund der stapelbaren Mikrostruktur von Graphenschichten. [29]


Extreme Kohlenstoffnanoröhren [ edit



Die Beobachtung der längsten Kohlenstoffnanoröhren , über 1/2 m (550 mm lang), wurde im Jahr 2013 berichtet. [30] Diese Nanoröhren wurden unter Verwendung einer verbesserten chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) auf Siliziumsubstraten gezüchtet und repräsentieren elektrisch gleichförmige Anordnungen einwandiger Kohlenstoffnanoröhren. [1]

Die kürzeste Kohlenstoffnanoröhre ist die organische Verbindung Cycloparaphenylen, die 2008 synthetisiert wurde. [19459501 The dünnste Kohlenstoffnanoröhre ist der Sessel (2,2) CNT mit einem Durchmesser von 0,3 nm. Diese Nanoröhre wurde in einer mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhre gezüchtet. Die Zuordnung des Kohlenstoffnanoröhrentyps erfolgte durch eine Kombination aus hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM), Raman-Spektroskopie und Dichtefunktionaltheorie (DFT) -Berechnungen. [32]

The Die dünnste freistehende einwandige Kohlenstoffnanoröhre hat einen Durchmesser von etwa 0,43 nm. [33] Die Forscher vermuten, dass sie entweder (5,1) oder (4,2) SWCNT sein kann, der genaue Typ der Kohlenstoffnanoröhre bleibt jedoch fraglich [34] (3,3), (4,3) und (5,1) Kohlenstoffnanoröhren (alle mit einem Durchmesser von etwa 0,4 nm) wurden unter Verwendung von Aberrationskorrigierter hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie in doppelwandigen CNTs eindeutig identifiziert [35]

Die höchste Dichte der CNTs wurde im Jahr 2013 erreicht und wurde auf einer mit Titan beschichteten Kupferoberfläche gezüchtet, die mit Co-Katalysatoren Kobalt und Molybdän niedriger beschichtet war als typische Temperaturen von 450 ° C. Die Röhren hatten im Durchschnitt eine Höhe von 380 nm und eine Massendichte von 1,6 g cm -3 . Das Material zeigte eine ohmsche Leitfähigkeit (niedrigster Widerstand ~ 22 kΩ). [36][37]


Eigenschaften [ edit ]


Mechanical [



Kohlenstoffnanoröhren sind die stärksten und steifsten Materialien, die bisher in Bezug auf Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul entdeckt wurden. Diese Stärke ergibt sich aus den kovalenten sp 2 -Bindungen zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen. Im Jahr 2000 wurde ein mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer Zugfestigkeit von 63 Gigapascal (9.100.000 psi) getestet. [38] (Zur Veranschaulichung bedeutet dies, dass eine Zugfestigkeit von 6.422 Kilogramm (62.980 N); 14.160 lbf) an einem Kabel mit einem Querschnitt von 1 Quadratmillimeter (0,0016 sq in). Weitere, zum Beispiel im Jahr 2008 durchgeführte Studien haben gezeigt, dass einzelne CNT-Schalen Stärken von bis zu 100 Gigapascal (15.000.000 psi) aufweisen, was mit quanten- / atomistischen Modellen übereinstimmt. [39] Weil Kohlenstoff-Nanoröhren eine geringe Dichte haben Feststoff von 1,3 bis 1,4 g / cm 3 [40] seine spezifische Festigkeit von bis zu 48.000 kN · kg -1 ist das beste der bekannten Materialien im Vergleich zu 154 kN · m · kg von Kohlenstoffstahl -1 .

Obwohl die Festigkeit einzelner CNT-Schalen extrem hoch ist, führen schwache Scherwechselwirkungen zwischen benachbarten Schalen und Rohren zu einer erheblichen Verringerung der effektiven Festigkeit von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Bündeln auf nur wenige GPa. Diese Einschränkung wurde kürzlich durch die Anwendung hochenergetischer Elektronenbestrahlung angesprochen, die innere Hüllen und Röhren vernetzt und die Festigkeit dieser Materialien effektiv auf ~ 60 GPa für mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren [39] und ~ 17 GPa für doppelwandige Kohlenstoffnanoröhrenbündel erhöht. [41] CNTs sind bei Kompression nicht annähernd so stark. Aufgrund ihrer hohlen Struktur und ihres hohen Aspektverhältnisses neigen sie zum Einknicken, wenn sie unter Druck-, Torsions- oder Biegebeanspruchung stehen. [42]

Auf der anderen Seite gab es Anzeichen dafür, dass radiale Verhältnisse vorhanden sind Richtung sind sie eher weich. Die erste Beobachtung der radialen Elastizität im Transmissionselektronenmikroskop deutete darauf hin, dass sogar Van-der-Waals-Kräfte zwei benachbarte Nanoröhren verformen können. Später wurden Nanoindentationen mit einem Atomkraftmikroskop von mehreren Gruppen durchgeführt, um die radiale Elastizität von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen quantitativ zu messen, und das Rasterkraftmikroskop mit Anode / Kontaktmode wurde auch an einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen durchgeführt. Der Young-Modul in der Größenordnung von mehreren GPa zeigte, dass CNTs in radialer Richtung sehr weich sind.


Electrical [ edit ]


Bandstrukturen, die unter Verwendung einer engen Bindungsannäherung für (6,0) CNT (Zickzack, metallisch), (10,2) CNT (halbleitend) und ( 10,10) CNT (Sessel, metallisch).

Im Gegensatz zu Graphen, einem zweidimensionalen Halbmetall, sind Kohlenstoffnanoröhrchen entlang der Rohrachse entweder metallisch oder halbleitend. Für eine gegebene (19459014] n m ) Nanotube, wenn n = m ist, ist die Nanotube metallisch; Wenn n - m m ein Vielfaches von 3 und n ≠ m und nm ≠ 0 ist, dann ist die Nanoröhre quasi metallisch mit einer sehr geringen Bandlücke, andernfalls ist die Nanoröhre mäßig Halbleiter. [43]
Somit sind alle Nanoröhren ( n = m ) metallisch, und Nanoröhren (6,4), (9,1) usw. sind halbleitend. 19659121] Kohlenstoffnanoröhren sind nicht halbmetallisch, da der entartete Punkt (der Punkt, an dem die π [bonding] -Bande auf die π * [anti-bonding] -Bande trifft, an der die Energie auf Null geht) leicht von K verschoben wird ] Punkt in der Brillouin-Zone wegen der Krümmung der Röhrenoberfläche, wodurch eine Hybridisierung zwischen den σ * - und π * -Antibindungsbanden verursacht wird und die Banddispersion modifiziert wird.

Die Regel bezüglich des Verhaltens von Metall gegenüber Halbleitern hat Ausnahmen, da Krümmungseffekte in Rohren mit kleinem Durchmesser die elektrischen Eigenschaften stark beeinflussen können. Somit ist ein (5,0) SWCNT, der eigentlich halbleitend sein sollte, den Berechnungen zufolge metallisch. Ebenso haben Zickzack- und chirale SWCNTs mit kleinen Durchmessern, die metallisch sein sollten, eine endliche Lücke (Sessel-Nanotubes bleiben metallisch). [44] Theoretisch können metallische Nanotubes eine elektrische Stromdichte von 4 × 10 9 A tragen / cm 2 was mehr als 1000 Mal größer ist als bei Metallen wie Kupfer, [45] wo bei Kupferverbindungen die Stromdichte durch Elektromigration begrenzt ist. Kohlenstoffnanoröhrchen werden daher als Verbindungselemente und leitfähigkeitsverbessernde Komponenten in Verbundwerkstoffen erforscht, und viele Gruppen versuchen, hochleitende elektrische Drähte zu kommerzialisieren, die aus einzelnen Kohlenstoffnanoröhren zusammengesetzt sind. Es sind jedoch erhebliche Herausforderungen zu bewältigen, wie etwa die unerwünschte Stromsättigung unter Spannung, [46] und die viel widerstandsfähigeren Übergänge zwischen Nanoröhren und Nanoröhren und Verunreinigungen, die alle die elektrische Leitfähigkeit der makroskopischen Nanoröhrendrähte um Größenordnungen herabsetzen im Vergleich zur Leitfähigkeit der einzelnen Nanoröhren.

Elektronen breiten sich aufgrund ihres nanoskaligen Querschnitts nur entlang der Röhrenachse aus. Daher werden Kohlenstoffnanoröhren häufig als eindimensionale Leiter bezeichnet. Die maximale elektrische Leitfähigkeit einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre beträgt 2 G 0 wobei G 0 = 2 e 2 h ist der Leitwert eines einzelnen ballistischen Quantenkanals. [47]

Wegen der Rolle des π-Elektronensystems bei der Bestimmung der elektronischen Eigenschaften von Graphen Kohlenstoff-Nanoröhren unterscheiden sich von denen von kristallinen Halbleitern aus derselben Gruppe des Periodensystems (z. B. Silizium). Die graphitische Substitution von Kohlenstoffatomen in der Nanoröhrenwand durch Bor- oder Stickstoffdotiermittel führt zu einem Verhalten vom p-Typ bzw. vom n-Typ, wie es in Silizium zu erwarten wäre. Einige nicht substituierte (interkalierte oder adsorbierte) Dotierstoffe, die in eine Kohlenstoffnanoröhre eingebracht werden, wie Alkalimetalle und elektronenreiche Metallocene, führen jedoch zu einer n-Leitung, da sie Elektronen an das π-Elektronensystem der Nanoröhre abgeben. Im Gegensatz dazu fungieren π-Elektronenakzeptoren wie FeCl 3 oder elektronenarme Metallocene als p-Dotierstoffe, da sie π-Elektronen vom oberen Ende des Valenzbandes wegziehen.

Über intrinsische Supraleitung wurde berichtet, [48] obwohl andere Experimente keine Beweise dafür fanden und die Behauptung Gegenstand der Debatte waren. [49]


Optisch [


Kohlenstoffnanoröhrchen haben nützliche Absorptions-, Photolumineszenz- (Fluoreszenz-) und Raman-Spektroskopie-Eigenschaften. Spektroskopische Verfahren bieten die Möglichkeit, relativ große Mengen an Kohlenstoffnanoröhren schnell und zerstörungsfrei zu charakterisieren. Aus industrieller Sicht besteht eine große Nachfrage nach einer solchen Charakterisierung: Zahlreiche Parameter der Nanoröhrchen-Synthese können absichtlich oder unabsichtlich geändert werden, um die Qualität der Nanoröhren zu verändern. Wie nachstehend gezeigt, ermöglichen optische Absorptions-, Photolumineszenz- und Raman-Spektroskopien eine schnelle und zuverlässige Charakterisierung dieser "Nanoröhrenqualität" hinsichtlich des Kohlenstoffgehalts außerhalb der Röhren, der Struktur (Chiralität) der hergestellten Nanoröhren und struktureller Defekte. Diese Merkmale bestimmen nahezu alle anderen Eigenschaften wie optische, mechanische und elektrische Eigenschaften.

Kohlenstoffnanoröhrchen sind einzigartige "eindimensionale Systeme", die als gewalzte Einzelbleche aus Graphit (oder genauer Graphen) betrachtet werden können. Dieses Rollen kann unter verschiedenen Winkeln und Krümmungen erfolgen, was zu unterschiedlichen Eigenschaften der Nanoröhrchen führt. Der Durchmesser variiert typischerweise im Bereich von 0,4 bis 40 nm (dh "nur" ~ 100-fach), aber die Länge kann ~ 100.000.000.000-mal von 0,14 nm bis 55,5 cm variieren. [50] Das Aspektverhältnis der Nanoröhre oder die Länge zu Durchmesserverhältnis kann so hoch wie 132.000.000: 1 sein, [51] was von keinem anderen Material erreicht wird. Folglich sind alle Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren im Vergleich zu denen von typischen Halbleitern extrem anisotrop (richtungsabhängig) und abstimmbar.

Während mechanische, elektrische und elektrochemische (Superkondensator-) Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren gut etabliert sind und unmittelbar Anwendung finden, ist der praktische Einsatz optischer Eigenschaften noch unklar. Die zuvor erwähnte Abstimmbarkeit der Eigenschaften ist möglicherweise in der Optik und in der Photonik nützlich. Insbesondere wurden im Labor Leuchtdioden (LEDs) [52][53] und Fotodetektoren [54] auf Basis einer einzelnen Nanoröhre hergestellt. Ihr Alleinstellungsmerkmal ist nicht die noch relativ geringe Effizienz, sondern die enge Selektivität in der Wellenlänge der Emission und Detektion von Licht und die Möglichkeit der Feinabstimmung durch die Nanoröhrenstruktur. Darüber hinaus wurden Bolometer [55] und optoelektronische Speicher [56] an Ensembles einwandiger Kohlenstoffnanoröhren realisiert.

Kristallographische Defekte beeinflussen auch die elektrischen Eigenschaften der Röhre. Ein übliches Ergebnis ist eine erniedrigte Leitfähigkeit durch den fehlerhaften Bereich der Röhre. Ein Defekt in sesselähnlichen Rohren (der Elektrizität leiten kann) kann dazu führen, dass die umliegende Region halbleitend wird, und einzelne einatomige Leerstellen induzieren magnetische Eigenschaften. [57]


Thermal [



All Es wird erwartet, dass Nanoröhren sehr gute Wärmeleiter entlang der Röhre sind und eine Eigenschaft aufweisen, die als "ballistische Leitung" bekannt ist, aber gute Isolatoren seitlich der Röhrenachse. Messungen zeigen, dass eine einzelne SWNT eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur entlang ihrer Achse von etwa 3500 & mgr; m -1 · K -1 hat; [58] vergleiche dies mit Kupfer, a Metall, bekannt für seine gute Wärmeleitfähigkeit, die 385 W · m -1 · K -1 überträgt. Eine einzelne SWNT hat eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur über ihre Achse (in radialer Richtung) von etwa 1,52 & mgr; m -1 · K -1 [59] thermisch leitfähig wie Erde. Makroskopische Anordnungen von Nanoröhren wie Filmen oder Fasern haben bis zu 1500 Wm erreicht -1 · K -1 . [60] Die Temperaturstabilität von Kohlenstoffnanoröhren wird geschätzt bis zu 2800 ° C im Vakuum und etwa 750 ° C in Luft. [61]

Kristallographische Defekte beeinflussen die thermischen Eigenschaften der Röhre stark. Solche Defekte führen zu Phononenstreuung, was wiederum die Relaxationsrate der Phononen erhöht. Dies reduziert den mittleren freien Weg und verringert die Wärmeleitfähigkeit von Nanoröhrenstrukturen. Phononentransportsimulationen weisen darauf hin, dass Substitutionsdefekte wie Stickstoff oder Bor hauptsächlich zu einer Streuung der optischen Hochfrequenzphononen führen. Defekte in größerem Maßstab wie Stone Wales-Defekte verursachen jedoch Phononenstreuung über einen breiten Frequenzbereich, was zu einer stärkeren Verringerung der Wärmeleitfähigkeit führt. [62]


Synthesis [ edit ]



Techniques wurden entwickelt, um Nanoröhren in beträchtlichen Mengen herzustellen, einschließlich Bogenentladung, Laserablation, chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und Hochdruck-Kohlenmonoxid-Disproportionierung (HiPCO). Unter diesen Bogenentladungen sind Laserablation, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) chargenweise und HiPCO ist gasphasenkontinuierlich. [63] Die meisten dieser Prozesse finden im Vakuum oder mit Prozessgasen statt. Die CVD-Wachstumsmethode ist beliebt, da sie eine hohe Menge liefert und einen gewissen Grad an Kontrolle über Durchmesser, Länge und Morphologie hat. Mit teilchenförmigen Katalysatoren können mit diesen Methoden große Mengen an Nanoröhren synthetisiert werden, das Erreichen der Wiederholbarkeit wird jedoch beim CVD-Wachstum zu einem Hauptproblem. [64] Die Fortschritte des HiPCO-Prozesses in der Katalyse und das kontinuierliche Wachstum machen CNTs kommerziell nutzbarer. [65] Das HiPCO-Verfahren hilft bei der Herstellung von hochreinen einwandigen Kohlenstoffnanoröhren in höherer Menge. Der HiPCO-Reaktor arbeitet bei hohen Temperaturen von 900-1100 ° C und Hochdruck ~ 30-50 bar. [66] Er verwendet Kohlenmonoxid als Kohlenstoffquelle und Nickel / Eisen-Penta-Carbonyl als Katalysator. Dieser Katalysator stellt die Keimbildungsstelle für das Wachstum der Nanoröhren dar. [63]

Vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren-Arrays werden auch durch thermisches chemisches Aufdampfen gezüchtet. Ein Substrat (Quarz, Silizium, Edelstahl usw.) wird mit einer katalytischen Metallschicht (Fe, Co, Ni) beschichtet. Typischerweise besteht diese Schicht aus Eisen und wird durch Sputtern mit einer Dicke von 1 bis 5 nm abgeschieden. Eine 10 bis 50 nm lange Unterschicht aus Aluminiumoxid wird häufig zuerst auf dem Substrat abgelegt. Dies verleiht eine kontrollierbare Benetzung und gute Grenzflächeneigenschaften.
Wenn das Substrat auf die Wachstumstemperatur (~ 700 ° C) erhitzt wird, bricht der durchgehende Eisenfilm in kleine Inseln auf. Jede Insel bildet dann eine Kohlenstoff-Nanoröhre. Die Zerstäubungsdicke steuert die Inselgröße und diese wiederum bestimmt den Durchmesser der Nanoröhre. Dünnere Eisenschichten treiben den Durchmesser der Inseln nach unten und den Durchmesser der Nanotubes nach unten. Die Zeit, die die Metallinsel bei der Wachstumstemperatur sitzen kann, ist begrenzt, da sie mobil ist und zu größeren (aber weniger) Inseln übergehen kann. Durch Tempern bei der Wachstumstemperatur verringert sich die Stangendichte (Anzahl von CNT / mm 2 ), während der Katalysatordurchmesser erhöht wird.

Die so hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhren haben immer Verunreinigungen wie andere Formen von Kohlenstoff (amorpher Kohlenstoff, Fulleren usw.) und nichtkohlenstoffhaltige Verunreinigungen (Metallkerne als Katalysator). [67][68] Diese Verunreinigungen müssen entfernt werden nutzen die Kohlenstoffnanoröhrchen in Anwendungen. [69]


Metrology [ edit ]


Für Kohlenstoffnanoröhrchen stehen zahlreiche Metrologiestandards und Referenzmaterialien zur Verfügung. [60]

Für einwandige Kohlenstoffnanoröhrchen beschreibt ISO / TS 10868 eine Messmethode für Durchmesser, Reinheit und Anteil metallischer Nanoröhren durch optische Absorptionsspektroskopie, [71] während ISO / TS 10797 und ISO / TS 10798 Methoden festlegen charakterisieren die Morphologie und die Elementzusammensetzung von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren unter Verwendung von Transmissionselektronenmikroskopie bzw. Rasterelektronenmikroskopie, gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektrometrieanalyse [72] [73]

NIST SRM 2483 ist ein Ruß von einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen, der als Referenzmaterial für die Elementanalytik verwendet wird. Er wurde mittels thermogravimetrischer Analyse, sofortiger Gamma-Aktivierungsanalyse, induzierter Neutronenaktivierungsanalyse und induktiv charakterisiert Massenspektroskopie mit gekoppelten Plasmen, resonante Raman-Streuung, UV-sichtbar-nahe Infrarotspektroskopie und Absorptionsspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie. [74][75] Der Canadian National Research Council bietet auch ein zertifiziertes Referenzmaterial SWCNT-1 für die Elementanalytik an unter Verwendung der Neutronenaktivierungsanalyse und der Massenspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma. [70][76] NIST RM 8281 ist eine Mischung aus drei Längen von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren. [77]

] Bei mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen identifiziert ISO / TR 10929 die grundlegenden Eigenschaften und den Gehalt an Verunreinigungen, [78] während ISO / TS 11888 mor beschreibt Phologie mittels Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Viskosimetrie und Lichtstreuungsanalyse. [79] ISO / TS 10798 gilt auch für mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren. 19659154] Kohlenstoffnanoröhren können funktionalisiert werden, um gewünschte Eigenschaften zu erreichen, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können. Die zwei Hauptmethoden der Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhrchen sind kovalente und nichtkovalente Modifikationen. Aufgrund ihrer offensichtlichen hydrophoben Natur neigen Kohlenstoff-Nanoröhren dazu, zu agglomerieren, was deren Dispersion in Lösungsmitteln oder viskosen Polymerschmelzen behindert. Die sich daraus ergebenden Nanoröhren bündeln oder aggregieren die mechanische Leistung des fertigen Verbundstoffs. The surface of the carbon nanotubes can be modified to reduce the hydrophobicity and improve interfacial adhesion to a bulk polymer through chemical attachment.[81]

Also surface of carbon nanotubes can be fluorinated or halofluorinated by CVD-method with fluorocarbons, hydro- or halofluorocarbons by heating while in contact of such carbon material with fluoroorganic substance to form partially fluorinated carbons (so called Fluocar materials) with grafted (halo)fluoroalkyl functionality.[82][83]


Applications[edit]


Current[edit]


Current use and application of nanotubes has mostly been limited to the use of bulk nanotubes, which is a mass of rather unorganized fragments of nanotubes. Bulk nanotube materials may never achieve a tensile strength similar to that of individual tubes, but such composites may, nevertheless, yield strengths sufficient for many applications. Bulk carbon nanotubes have already been used as composite fibers in polymers to improve the mechanical, thermal and electrical properties of the bulk product.


  • Easton-Bell Sports, Inc. have been in partnership with Zyvex Performance Materials, using CNT technology in a number of their bicycle components – including flat and riser handlebars, cranks, forks, seatposts, stems and aero bars.

  • Zyvex Technologies has also built a 54' maritime vessel, the Piranha Unmanned Surface Vessel, as a technology demonstrator for what is possible using CNT technology. CNTs help improve the structural performance of the vessel, resulting in a lightweight 8,000 lb boat that can carry a payload of 15,000 lb over a range of 2,500 miles.[84]

  • Amroy Europe Oy manufactures Hybtonite carbon nanoepoxy resins where carbon nanotubes have been chemically activated to bond to epoxy, resulting in a composite material that is 20% to 30% stronger than other composite materials. It has been used for wind turbines, marine paints and a variety of sports gear such as skis, ice hockey sticks, baseball bats, hunting arrows, and surfboards.[85]

  • The Boeing Company has patented the use of carbon nanotubes for structural health monitoring[86] of composites used in aircraft structures. This technology will greatly reduce the risk of an in-flight failure caused by structural degradation of aircraft.

  • Surrey NanoSystems synthesises carbon nanotubes to create vantablack.

Other current applications include:


Current research for modern applications include:


  • using carbon nanotubes as a scaffold for diverse microfabrication techniques.[89]

  • energy dissipation in self-organized nanostructures under influence of an electric field.[90]

  • using carbon nanotubes for environmental monitoring due to their active surface area and their ability to absorb gases.[91]

Potential[edit]



The strength and flexibility of carbon nanotubes makes them of potential use in controlling other nanoscale structures, which suggests they will have an important role in nanotechnology engineering. The highest tensile strength of an individual multi-walled carbon nanotube has been tested to be 63 GPa.[38] Carbon nanotubes were found in Damascus steel from the 17th century, possibly helping to account for the legendary strength of the swords made of it.[92][93] Recently, several studies have highlighted the prospect of using carbon nanotubes as building blocks to fabricate three-dimensional macroscopic (>1mm in all three dimensions) all-carbon devices. Lalwani et al. have reported a novel radical initiated thermal crosslinking method to fabricated macroscopic, free-standing, porous, all-carbon scaffolds using single- and multi-walled carbon nanotubes as building blocks.[18] These scaffolds possess macro-, micro-, and nano- structured pores and the porosity can be tailored for specific applications. These 3D all-carbon scaffolds/architectures may be used for the fabrication of the next generation of energy storage, supercapacitors, field emission transistors, high-performance catalysis,[94] photovoltaics, and biomedical devices and implants.

CNTs are potential candidates for future via and wire material in nano-scale VLSI circuits. Eliminating electromigration reliability concerns that plague today's Cu interconnects, isolated (single and multi-wall) CNTs can carry current densities in excess of 1000 MA/sq-cm without electromigration damage.[95]

Large quantities of pure CNTs can be made into a freestanding sheet or film by surface-engineered tape-casting (SETC) fabrication technique which is a scalable method to fabricate flexible and foldable sheets with superior properties.[96][97] Another reported form factor is CNT fiber (a.k.a. filament) by wet spinning.[98] The fiber is either directly spun from the synthesis pot or spun from pre-made dissolved CNTs. Individual fibers can be turned into a yarn. Apart from its strength and flexibility, the main advantage is making an electrically conducting yarn. The electronic properties of individual CNT fibers (i.e. bundle of individual CNT) are governed by the two-dimensional structure of CNTs. The fibers were measured to have a resistivity only one order of magnitude higher than metallic conductors at 300K. By further optimizing the CNTs and CNT fibers, CNT fibers with improved electrical properties could be developed.[95][99]

CNT-based yarns are suitable for applications in energy and electrochemical water treatment when coated with an ion-exchange membrane.[100] Also, CNT-based yarns could replace copper as a winding material. Pyrhönen et al. (2015) have built a motor using CNT winding.[101][102]


Safety and health[edit]



The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) is the leading United States federal agency conducting research and providing guidance on the occupational safety and health implications and applications of nanotechnology. Early scientific studies have indicated that some of these nanoscale particles may pose a greater health risk than the larger bulk form of these materials. In 2013, NIOSH published a Current Intelligence Bulletin detailing the potential hazards and recommended exposure limit for carbon nanotubes and fibers.[103]

As of October 2016, single wall carbon nanotubes have been registered through the European Union's Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals (REACH) regulations, based on evaluation of the potentially hazardous properties of SWCNT. Based on this registration, SWCNT commercialization is allowed in the EU up to 10 metric tons. Currently, the type of SWCNT registered through REACH is limited to the specific type of single wall carbon nanotubes manufactured by OCSiAl, which submitted the application.[104]


History[edit]



The true identity of the discoverers of carbon nanotubes is a subject of some controversy.[105] A 2006 editorial written by Marc Monthioux and Vladimir Kuznetsov in the journal Carbon described the interesting and often-misstated origin of the carbon nanotube.[106] A large percentage of academic and popular literature attributes the discovery of hollow, nanometer-size tubes composed of graphitic carbon to Sumio Iijima of NEC in 1991. He published a paper describing his discovery which initiated a flurry of excitement and could be credited by inspiring the many scientists now studying applications of carbon nanotubes. Though Iijima has been given much of the credit for discovering carbon nanotubes, it turns out that the timeline of carbon nanotubes goes back much further than 1991.[105]


In 1952, L. V. Radushkevich and V. M. Lukyanovich published clear images of 50 nanometer diameter tubes made of carbon in the Soviet Journal of Physical Chemistry.[107] This discovery was largely unnoticed, as the article was published in Russian, and Western scientists' access to Soviet press was limited during the Cold War. Monthioux and Kuznetsov mentioned in their Carbon editorial:[106]

The fact is, Radushkevich and Lukyanovich [..] should be credited for the discovery that carbon filaments could be hollow and have a nanometer- size diameter, that is to say for the discovery of carbon nanotubes.


In 1976, Morinobu Endo of CNRS observed hollow tubes of rolled up graphite sheets synthesised by a chemical vapour-growth technique.[108] The first specimens observed would later come to be known as single-walled carbon nanotubes (SWNTs).[109] Endo, in his early review of vapor-phase-grown carbon fibers (VPCF), also reminded us that he had observed a hollow tube, linearly extended with parallel carbon layer faces near the fiber core.[110] This appears to be the observation of multi-walled carbon nanotubes at the center of the fiber.[109] The mass-produced MWCNTs today are strongly related to the VPGCF developed by Endo.[109] In fact, they call it the “Endo-process”, out of respect for his early work and patents.[109][111]

In 1979, John Abrahamson presented evidence of carbon nanotubes at the 14th Biennial Conference of Carbon at Pennsylvania State University. The conference paper described carbon nanotubes as carbon fibers that were produced on carbon anodes during arc discharge. A characterization of these fibers was given as well as hypotheses for their growth in a nitrogen atmosphere at low pressures.[112]

In 1981, a group of Soviet scientists published the results of chemical and structural characterization of carbon nanoparticles produced by a thermocatalytical disproportionation of carbon monoxide. Using TEM images and XRD patterns, the authors suggested that their “carbon multi-layer tubular crystals” were formed by rolling graphene layers into cylinders. They speculated that by rolling graphene layers into a cylinder, many different arrangements of graphene hexagonal nets are possible. They suggested two possibilities of such arrangements: circular arrangement (armchair nanotube) and a spiral, helical arrangement (chiral tube).[113]

In 1987, Howard G. Tennent of Hyperion Catalysis was issued a U.S. patent for the production of "cylindrical discrete carbon fibrils" with a "constant diameter between about 3.5 and about 70 nanometers..., length 102 times the diameter, and an outer region of multiple essentially continuous layers of ordered carbon atoms and a distinct inner core...."[114]

Iijima's discovery of multi-walled carbon nanotubes in the insoluble material of arc-burned graphite rods in 1991[115] and Mintmire, Dunlap, and White's independent prediction that if single-walled carbon nanotubes could be made, then they would exhibit remarkable conducting properties[116] helped create the initial buzz that is now associated with carbon nanotubes. Nanotube research accelerated greatly following the independent discoveries[117][118] by Bethune at IBM and Iijima at NEC of single-walled carbon nanotubes and methods to specifically produce them by adding transition-metal catalysts to the carbon in an arc discharge. The arc discharge technique was well-known to produce the famed Buckminster fullerene on a preparative scale,[119] and these results appeared to extend the run of accidental discoveries relating to fullerenes. The discovery of nanotubes remains a contentious issue. Many believe that Iijima's report in 1991 is of particular importance because it brought carbon nanotubes into the awareness of the scientific community as a whole.[105][109]


See also[edit]




References[edit]


This article incorporates public domain text from National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) as quoted.



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