Углеродный нанобуд - Carbon nanobud

Компьютерные модели нескольких стабильных структур нанопучок
Наблюдение на месте углеродного нанострука с помощью просвечивающая электронная микроскопия[1]
Захват дополнительной молекулы фуллерена нанопучкой[1]
Генерация молекул фуллерена (углеродный стручок ) внутри нанопочки[1]

В нанотехнологии, а углерод нанобуд это материал, сочетающий углеродные нанотрубки и сфероидальный фуллерены, обе аллотропы углерода, в той же структуре, образуя "бутоны "прикреплены к трубкам. Углеродные нанопочки были обнаружены и синтезированы в 2006 году.

В этом материале фуллерены ковалентно связанный к внешним боковым стенкам лежащей под ним нанотрубки. Следовательно, нанопучки проявляют свойства как углеродных нанотрубок, так и фуллеренов. Например, механические свойства и электрическая проводимость нанопочки аналогичны таковым из соответствующих углеродных нанотрубок. Однако из-за более высокой реакционной способности прикрепленных молекул фуллерена гибридный материал может быть дополнительно функционализирован с помощью известной химии фуллерена. Кроме того, прикрепленные молекулы фуллерена можно использовать в качестве молекулярных якорей для предотвращения скольжения нанотрубок в различных композитных материалах, изменяя таким образом механические свойства композита.[2][3]

Благодаря большому количеству сильно искривленных поверхностей фуллерена, действующих как центры эмиссии электронов на проводящих углеродных нанотрубках, нанопучки обладают преимуществами. полевая электронная эмиссия характеристики. Случайно ориентированные нанопочки уже продемонстрировали чрезвычайно низкую рабочая функция для автоэлектронной эмиссии. Зарегистрированные тестовые измерения показывают (макроскопические) пороговые значения поля около 0,65 В / мкм (нефункционализированные). однослойные углеродные нанотрубки имеют макроскопический полевой порог для автоэлектронной эмиссии ~ 2 В / мкм) и гораздо более высокую плотность тока по сравнению с соответствующими чистыми однослойными углеродными нанотрубками.[2] Теоретически рассмотрены электронно-транспортные свойства некоторых классов нанопучок.[4] Исследование показывает, что электроны действительно проходят в область шейки и зачатка системы нанопочки.

Финская компания Canatu Oy утверждает интеллектуальная собственность права на материал нанобуд, процессы его синтеза и несколько приложений.[5]

Характеристики

Углеродные нанопочки (УНБ) обладают некоторыми свойствами углеродные нанотрубки такие как одномерная электропроводность, гибкость и приспособляемость к производству, а также некоторые химические свойства фуллерены. Примеры этих свойств включают участие в реакциях циклоприсоединения и могут легко образовывать химические связи, способные присоединяться к другим молекулам со сложной структурой. ХНБ обладают гораздо более высокой химической активностью, чем одностенные углеродные нанотрубки (ОСУНТ).[6]

Электрические свойства

Было показано, что эта новая структура имеет электронные свойства, отличные от свойств фуллеренов и углеродных нанотрубок (УНТ). CNB демонстрируют более низкие пороги поля и более высокие плотности тока и электрическое поле эмиссии, чем у ОСУНТ.[7] Химические связи между стенкой нанотрубки и фуллеренами на поверхности могут привести к переносу заряда между поверхностями.[7] Присутствие фуллеренов в CNB приводит к меньшему образованию пучков и большей химической активности.[7] CNB могут вступать в циклоаддиитонные реакции и легко образовывать химические связи, способные связывать молекулы со сложной структурой. это можно объяснить большей доступностью поверхности УНБ для реагентов наличием π-сопряженные структуры и имеющие 5-атомные кольца с избыточной энергией пиримидизации.[8] Энергия образования указывает на то, что получение CNB является эндотермическим, а это означает, что его создание неблагоприятно.[9]

Все CNB являются проводящими, независимо от того, является ли однослойная CNT металлический или же полупроводник основание. Ширина запрещенной зоны углеродных нанопучок непостоянна, она может изменяться в зависимости от размера фуллереновой группы.[6] Присоединение C60 добавленная к кресельной ориентации SWCNT открывает запрещенную зону. С другой стороны, добавление его к полупроводниковым ОСНТ может привести к появлению примесных состояний в запрещенной зоне, что уменьшит ширину запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны CNB также может быть изменена путем изменения плотности атомов углерода C60 прикреплен к боковине из SWCNT.[10]

Магнитные свойства

Геометрические факторы являются неотъемлемой частью исследования магнитных свойств нанопучок. Есть две структуры CNB, которые являются ферромагнитными в своем основном состоянии, и две структуры, которые не являются магнитными.[11] Прилагаемый C60 Молекула на поверхности УНТ дает больше пространства между нанотрубками, и адгезия между однослойными УНТ может быть ослаблена, чтобы предотвратить образование плотных пучков УНТ.[6] Углеродные нанопучки можно использовать в качестве молекулярной опоры для предотвращения скольжения матрицы в композитных материалах и повышения их механической прочности.[7]

Структурные свойства

Стабильность CNB зависит от типа углерод-углеродной связи, которая диссоциирует в реакции циклоприсоединения. Было показано, что атомы углерода ОСУНТ вблизи фуллерена C60 молекула вытягивалась наружу от исходной поверхности стенки из-за ковалентной связи с реакцией циклоприсоединения между фуллереном и нанотрубкой; кроме того, их связь трансформировалась из sp2 к sp3 гибридизация.[7] Анализ с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света показывает, что образец CNB имел более сильную химическую модификацию по сравнению с CNT. Это указывает на наличие углеродной пр.3 гибридизация, которая происходит после химического добавления CNB.[6]

Синтез

Одностенные углеродные нанотрубки, ОСУНТ, могут быть покрыты ковалентно связанными фуллеренами (особый тип сфероидального углерода). Это могло произойти, когда в реактор вводили концентрацию водяного пара или диоксида углерода. В результате получается материал, похожий на бутоны на ветке дерева. Следовательно, именно по этой причине для материала был выбран термин «нанобуд».[8]

Концентрации водяного пара и плотность фуллеренов были изучены гораздо более подробно. При 45 ppm и выше нанопочки начали формироваться в изобилии. Однако когда концентрация добавленной воды составляла около 365 частей на миллион, произошло нечто иное. Вместо того, чтобы быть значительным количеством нанопочечников, он содержал большое количество неактивных частиц катализатора.[8]

Характеристика

Существует несколько методов, которые использовались для обнаружения фуллеренов на поверхности одностенных углеродных нанотрубок, каждый из которых вносил свой вклад в то, что в настоящее время известно о нанопочках. Некоторые из этих методов ультрафиолетовая и видимая спектроскопия (УФ-видимый), просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ) и сканирующая туннельная микроскопия (СТМ).

Чтобы еще глубже изучить функциональность CNB и то, как одностенные углеродные нанотрубки взаимодействуют с фуллеренами, создавая нанопочки, были выполнены расчеты. Вычисления, которые были сделаны, исходили из атомистической теории функционала плотности (метод квантово-механического моделирования) и дали довольно много информации о происходящем связывании. Они сказали ученым, что есть две возможности для взаимодействия. Одна из возможностей заключается в том, что фуллерены могут быть ковалентно связаны с одностенными углеродными нанотрубками напрямую. Другая возможность состоит в том, что фуллерены образуют гибридные структуры.[8]

Независимо от того, как они связываются с одностенными нанотрубками, исследования показали, что фуллерены неподвижны и, похоже, не хотят уходить от взаимодействия с нанотрубками, что делает вывод о том, что связь, которую они имеют, очень прочная. Это исследование было выполнено с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

Другое исследование было проведено, чтобы увидеть, как мытье наноболочек в различных растворителях, таких как толуол, декалин и гексан, повлияет на фуллерены и их взаимодействие с нанотрубками. Ни один из протестированных растворителей не привел к растворению фуллеренов в растворителе. Это подтверждает открытие, что связь между ними очень сильна. В ходе еще одного дополнительного исследования было обнаружено, что каждый из образцов нанопочки содержал кислород.[2]

Приложения

Исследования, разработка и производство гибкой и прозрачной электроники опираются на новые материалы или материалы, которые являются механически гибкими, легкими и относительно невысокими. Эти материалы также должны быть проводящими и оптически прозрачными. Из-за их тесной связи с семейством углеродных нанотрубок углеродные нанопочки обладают всеми этими качествами, а также многими другими из-за включения в них фуллерена.

Эско Кауппинен, профессор и исследователь из Хельсинкского технологического университета и организации по развитию технологий VTT Biotechnology, и его команда обнаружили, что углеродные нанопочки обладают свойствами, которые часто ассоциируются с полевыми эмиттерами холодных электронов.[12] Такие материалы излучают электроны при комнатной температуре под сильным приложенным электрическим полем, свойство, которое очень важно для таких технологий, как плоские дисплеи и электронные микроскопы.[12] Углеродные нанопочки могут быть намного эффективнее плоских поверхностей в отношении того, насколько эффективно они могут излучать электроны. Это связано с множеством изогнутых поверхностей как фуллерена, так и углеродной нанотрубки, из которых состоит углеродный NanoBud.

В результате кривизны фуллеренов и нанотрубок практически любая поверхность потенциально может быть преобразована в поверхность с сенсорной способностью. Canatu, компания, специализирующаяся на продуктах NanoBud с электронным углеродом, утверждает, что пленки, полученные в результате синтеза NanoBud, очень прочны и гибки. Они также утверждают, что NanoBuds позволяют легко наносить их на гибкие и изогнутые поверхности. NanoBuds могут сохранять свои электронные возможности при изгибе до 200 процентов. Это свойство является результатом закругленных поверхностей, которые позволяют NanoBuds скользить друг мимо друга, не повреждая электронную структуру материала.[13] Обычно поверхности сенсорного экрана изготавливаются путем размещения листа оксида индия и олова, также прозрачной пленки, поверх экрана дисплея. Однако листы оксида индия и олова очень хрупкие, как стекло, и их можно наносить только на относительно плоские поверхности, чтобы сохранить целостность структуры.[13]

В результате их тесного родства с углеродными нанотрубками NanoBuds обладают регулируемой электропроводностью.[14] Поскольку электрические свойства NanoBuds могут быть индивидуально настроены (при условии, что одностенные нанотрубки с отдельными областями с разными электрическими свойствами являются частью NanoBud), по словам Эско Кауппинена и его команды, вполне возможно, что NanoBuds могут в какой-то момент использоваться в таких приложениях, как запоминающие устройства и квантовые точки. Команда Кауппинена утверждает, что проводимость кристаллической углеродной структуры позволяет это приложение. Фактически, небольшой размер углеродных нанотрубок и углеродных нанопорчков теоретически обеспечивает очень высокую плотность хранения энергии.[15] Наиболее распространенной технологией памяти, связанной с углеродными NanoBuds, является Nano-память с произвольным доступом (NRAM) или Nano-RAM. Эта технология представляет собой тип энергонезависимой памяти с произвольным доступом, но она основана на положении углеродных нанотрубок или, в данном случае, углеродных нанопорок на подложке, подобной чипу.[15] Его компания-разработчик Nantero дала ему общее название NRAM. По сравнению с другими формами энергонезависимой оперативной памяти NanoRAM имеет несколько преимуществ, но одно действительно выделяется. Считается, что NRAM входит в состав множества новых систем памяти, разнообразие которых многие люди считают универсальным. Nantero утверждает, что нано-RAM (NRAM) в конечном итоге может заменить почти все системы памяти, от флэш-памяти до DRAM и SRAM.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Горантла, Сандип; Бёррнерт, Феликс; Бачматюк, Алисия; Димитракопулу, Мария; Шенфельдер, Ронни; Шеффель, Франциска; Томас, Юрген; Гемминг, Томас; Боровяк-Пален, Ева; Уорнер, Джейми Х .; Якобсон, Борис I .; Эккерт, Юрген; Бюхнер, Бернд; Рюммели, Марк Х. (2010). «Наблюдения на месте синтеза и выброса фуллеренов в углеродных нанотрубках». Наномасштаб. 2 (10): 2077. Bibcode:2010Nanos ... 2.2077G. Дои:10.1039 / C0NR00426J. PMID  20714658.
  2. ^ а б c Насибулин, Альберт Г .; и другие. (2007). «Новый гибридный углеродный материал» (PDF). Природа Нанотехнологии. 2 (3): 156–161. Bibcode:2007НатНа ... 2..156Н. Дои:10.1038 / nnano.2007.37. PMID  18654245. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-02-26. Получено 2009-08-31.
  3. ^ Насибулин, Альберт Г .; и другие. (2007). «Исследования формирования NanoBud» (PDF). Письма по химической физике. 446: 109–114. Bibcode:2007CPL ... 446..109N. Дои:10.1016 / j.cplett.2007.08.050. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-20. Получено 2009-08-31.
  4. ^ Fürst, Joachim A .; и другие. (2009). «Электронные транспортные свойства углеродных нанотрубок, функционализированных фуллеренами: Ab initio и расчеты сильной связи» (PDF). Физический обзор B. 80 (3): 115117. Дои:10.1103 / PhysRevB.80.035427.
  5. ^ "Европейское патентное ведомство: поиск CANATU". Получено 2010-06-03.
  6. ^ а б c d Альберт Г. Насибулин, Илья В. Аношкин, Прасанта Р. Мудимела, Янне Раула, Владимир Ермолов, Эско И. Кауппинен, «Избирательная химическая функционализация углеродных нанопорчков», Углерод 50, нет. 11 (2012).
  7. ^ а б c d е Ахангари, М. Горбанзаде; Ganji, M.D .; Монтазар, Ф. (2015). "Механические и электронные свойства углеродных нанопорчков: исследование первых принципов". Твердотельные коммуникации. 203: 58–62.
  8. ^ а б c d Анисимов, Антон. «Аэрозольный синтез углеродных нанотрубок и нанопорчков». (2010).
  9. ^ Seif, A .; Zahedi, E .; Ахмади, Т. С. (2011). «Исследование углеродных нанопорчков Dft». Европейский физический журнал B. 82 (2): 147–52.
  10. ^ Сяоцзюнь Ву и Сяо Ченг Цзэн, «Изучение первых принципов углеродной наноструктуры», САУ Нано 2, вып. 7 (2008)
  11. ^ Мин Ван и Чанг Мин Ли, "Магнитные свойства полностью углеродных графен-фуллереновых нанопучок", Физическая химия Химическая физика 13, нет. 13 (2011).
  12. ^ а б Кларк, Питер (21 ноября 2014 г.). «Углеродные нанопочки позволяют использовать прозрачные сенсорные датчики на трехмерных поверхностях». Eenewsanalog.com.
  13. ^ а б Буллис, Кевин (11 декабря 2014 г.). «Тестирование при запуске сенсорных датчиков Nanobud». Обзор технологий MIT.
  14. ^ Мгрдичян, Лаура (30 марта 2007 г.). «Новый наноматериал, нанопочки, фуллерены и ...»
  15. ^ а б «Электроника». Nanotechmag.com.