Halaman karbon nanotube

Ilmu nanotube karbon dan teknologi

Nanotube karbon tabung molekul-skala karbon graphitic dengan sifat yang luar biasa. Mereka adalah di antara paling berat dan terkuat serat dikenal, dan memiliki sifat elektronik yang luar biasa dan banyak karakteristik unik lainnya. Untuk alasan ini mereka telah menarik minat akademik dan industri besar, dengan ribuan makalah tentang nanotube diterbitkan setiap tahun. aplikasi komersial telah agak lambat untuk mengembangkan, bagaimanapun, terutama karena biaya produksi yang tinggi dari nanotube kualitas terbaik.
Sejarah

Kepentingan besar saat ini di nanotube karbon merupakan konsekuensi langsung dari sintesis buckminsterfullerene, C60, dan fullerene lainnya, pada tahun 1985. Penemuan bahwa karbon dapat membentuk stabil, memerintahkan struktur selain grafit dan berlian dirangsang peneliti di seluruh dunia untuk mencari bentuk-bentuk baru lainnya karbon. pencarian diberi dorongan baru ketika ditunjukkan pada tahun 1990 yang C60 bisa diproduksi dalam alat arc-penguapan sederhana tersedia di semua laboratorium. Itu menggunakan evaporator tersebut bahwa ilmuwan Jepang Sumio Iijima menemukan nanotube karbon terkait fullerene pada tahun 1991. tabung berisi setidaknya dua lapisan, sering banyak lagi, dan berkisar di diameter luar dari sekitar 3 nm ke 30 nm. Mereka selalu ditutup pada kedua ujungnya.

Sebuah mikrograf elektron transmisi dari beberapa nanotube multiwalled ditunjukkan pada gambar (kiri). Pada tahun 1993, kelas baru nanotube karbon ditemukan, dengan hanya satu lapisan. Nanotube tunggal berdinding umumnya sempit dari tabung multiwalled, dengan diameter biasanya di kisaran 1-2 nm, dan cenderung melengkung daripada lurus.Gambar di sebelah kanan menunjukkan beberapa tabung berdinding tunggal khas Itu segera didirikan bahwa serat baru memiliki berbagai sifat yang luar biasa (lihat di bawah), dan ini memicu ledakan penelitian nanotube karbon. Hal ini penting untuk dicatat, bagaimanapun, bahwa tabung nano karbon, dihasilkan katalis, telah dikenal selama bertahun-tahun sebelum penemuan Iijima ini. Alasan utama mengapa tabung awal tidak menggairahkan kepentingan luas adalah bahwa mereka secara struktural lebih sempurna, sehingga tidak memiliki sifat sangat menarik. Penelitian terbaru telah difokuskan pada peningkatan kualitas nanotube katalis diproduksi.

Struktur

Ikatan di nanotube karbon sp², Dengan masing-masing atom bergabung ke tiga tetangga, seperti dalam grafit. Tabung karena itu dapat dianggap sebagai lembaran graphene digulung (graphene adalah lapisan grafit individu). Ada tiga cara yang berbeda di mana lembaran graphene dapat digulung ke dalam tabung, seperti yang ditunjukkan dalam diagram di bawah.

Dua pertama ini, yang dikenal sebagai "kursi" (kiri atas) dan "zig-zag" (tengah kiri) memiliki tingkat tinggi simetri. Istilah "kursi" dan "zig-zag" mengacu pada susunan segi enam di sekitar lingkar. Kelas ketiga tabung, yang dalam prakteknya adalah yang paling umum, dikenal sebagai kiral, artinya bisa eksis dalam dua bentuk-cermin terkait. Contoh dari nanotube kiral ditunjukkan di bagian kiri bawah.

Struktur nanotube dapat ditentukan oleh vektor, (n, m), yang mendefinisikan bagaimana lembar graphene yang digulung. Hal ini dapat dipahami dengan mengacu untuk mencari di sebelah kanan. Untuk menghasilkan nanotube dengan indeks (6,3), mengatakan, lembaran digulung sehingga atom berlabel (0,0) ditumpangkan pada satu berlabel (6,3).Hal ini dapat dilihat dari angka itu m = 0 untuk semua tabung zig-zag, sementara n = m untuk semua tabung kursi.

Perpaduan

Metode arc-penguapan, yang menghasilkan nanotube kualitas terbaik, melibatkan melewati arus sekitar 50 amp antara dua elektroda grafit dalam suasana helium. Hal ini menyebabkan grafit untuk menguap, sebagian kondensasi pada dinding bejana reaksi dan beberapa pada katoda. Ini adalah deposit pada katoda yang berisi nanotube karbon. nanotube berdinding tunggal diproduksi ketika Co dan Ni atau logam lainnya ditambahkan ke anoda. Telah dikenal sejak tahun 1950-an, jika tidak sebelumnya, bahwa nanotube karbon juga bisa dibuat dengan melewatkan gas yang mengandung karbon, seperti hidrokarbon, lebih katalis. Katalis terdiri dari partikel berukuran nano dari logam, biasanya Fe, Co atau Ni. Partikel-partikel ini mengkatalisis pemecahan molekul gas menjadi karbon, dan tabung kemudian mulai tumbuh dengan partikel logam di ujungnya. Hal ini menunjukkan pada tahun 1996 bahwa nanotube tunggal berdinding juga dapat diproduksi secara katalitik. Kesempurnaan nanotube karbon yang dihasilkan dengan cara ini umumnya telah miskin daripada yang dibuat oleh arc-penguapan, tapi perbaikan besar dalam teknik telah dibuat dalam beberapa tahun terakhir. Keuntungan yang besar dari sintesis katalitik lebih arc-penguapan adalah bahwa hal itu dapat ditingkatkan untuk volume produksi. Metode penting yang ketiga untuk membuat nanotube karbon melibatkan menggunakan laser kuat untuk menguap target logam-grafit. Ini dapat digunakan untuk memproduksi tabung berdinding tunggal dengan hasil tinggi.

Properti

Kekuatan sp yang²ikatan karbon-karbon memberikan nanotube karbon sifat mekanik menakjubkan. Kekakuan material diukur dari segi modulus Young nya, laju perubahan tegangan dengan regangan diterapkan. modulus Young dari nanotube terbaik bisa setinggi 1.000 GPa yang kira-kira 5x lebih tinggi dari baja. Kekuatan tarik, atau regangan melanggar nanotube bisa sampai 63 GPa, sekitar 50x lebih tinggi dari baja. sifat ini, ditambah dengan ringan nanotube karbon, memberikan mereka potensi besar dalam aplikasi seperti aerospace. Ia bahkan telah menyarankan bahwa nanotube dapat digunakan dalam "ruang lift", kabel Bumi-ke-angkasa pertama kali diusulkan oleh Arthur C. Clarke. Sifat elektronik dari karbon nanotube juga luar biasa. Terutama penting adalah fakta bahwa nanotube dapat logam atau semikonduktor tergantung pada struktur mereka. Dengan demikian, beberapa nanotube memiliki konduktivitas lebih tinggi dari tembaga, sementara yang lain berperilaku lebih seperti silikon. Ada minat yang besar dalam kemungkinan membangun perangkat elektronik nano dari nanotube, dan beberapa kemajuan sedang dibuat di daerah ini. Namun, dalam rangka untuk membangun sebuah perangkat yang berguna kita perlu mengatur ribuan nanotube dalam pola yang didefinisikan, dan kami belum memiliki tingkat kontrol yang diperlukan untuk mencapai hal ini. Ada beberapa bidang teknologi di mana nanotube karbon telah digunakan. Ini termasuk display panel datar, mikroskop scanning probe dan perangkat penginderaan.Sifat unik dari nanotube karbon niscaya akan menyebabkan lebih banyak aplikasi.

Nanohorns

Kerucut karbon berdinding tunggal dengan morfologi mirip dengan topi nanotube pertama kali disusun oleh Peter Harris, Edman Tsang dan rekan pada tahun 1994 (klik di sini untuk melihat kertas kami). Mereka tidak ditemukan oleh para ilmuwan NEC, seperti yang dinyatakan dalam di siniuntuk melihat kertas kami). Mereka tidak ditemukan oleh para ilmuwan NEC, seperti yang dinyatakan dalam siaran pers. Mereka diproduksi oleh suhu tinggi perlakuan panas fullerene jelaga - klik disini untuk melihat gambar yang khas. Kelompok Sumio Iijima ini kemudian menunjukkan bahwa mereka juga bisa diproduksi oleh ablasi laser dari grafit, dan memberi mereka nama "nanohorns". Kelompok ini telah menunjukkan bahwa nanohorns memiliki serap dan katalitik sifat yang luar biasa, dan bahwa mereka dapat digunakan sebagai komponen dari generasi baru sel bahan bakar. Untuk jelasnya lihat siaran pers NEC dan berita ini dari CNN .