Karbon nanotube CNTs adalah molekul silinder aneh dengan diameter sekitar setengah nanometer dan panjang hingga beberapa mikrometer. Karbon nanotube adalah struktur silinder berongga memanjang dengan diameter beberapa hingga puluhan nanometer, panjang nanotube tradisional dihitung dalam mikron, meskipun struktur dengan panjang orde milimeter dan bahkan sentimeter sudah diperoleh di laboratorium. Orientasi timbal balik dari kisi heksagonal grafit dan sumbu longitudinal nanotube menentukan ...

Bagikan pekerjaan di jejaring sosial

Jika karya ini tidak cocok untuk Anda, ada daftar karya serupa di bagian bawah halaman. Anda juga dapat menggunakan tombol pencarian

PENGANTAR

Saat ini, teknologi telah mencapai tingkat kesempurnaan sehingga komponen mikro menjadi semakin jarang digunakan dalam teknologi modern, dan secara bertahap digantikan oleh komponen nano. Ini menegaskan tren ke arah miniaturisasi yang lebih besar dari perangkat elektronik. Ada kebutuhan untuk menguasai tingkat integrasi baru - tingkat nano. Akibatnya, ada kebutuhan untuk mendapatkan transistor, kabel dengan ukuran berkisar antara 1 hingga 20 nanometer. Solusi untuk masalah ini adalah pada tahun 1985. penemuan nanotube, tetapi mereka mulai dipelajari hanya mulai dari tahun 1990, ketika mereka belajar bagaimana mendapatkannya dalam volume yang cukup.

Karbon nanotube (CNT) adalah molekul silinder yang aneh

berdiameter sekitar setengah nanometer dan panjangnya hingga beberapa mikrometer. Sistem polimer ini pertama kali ditemukan sebagai produk sampingan dari sintesis fullerene C 60 . Namun demikian, perangkat elektronik ukuran nanometer (molekuler) sudah dibuat berdasarkan nanotube karbon. Diharapkan di masa mendatang mereka akan mengganti elemen dengan tujuan serupa di sirkuit elektronik berbagai perangkat, termasuk komputer modern.

1. Konsep tabung nano karbon

Pada tahun 1991, peneliti Jepang Ijima sedang mempelajari deposit yang terbentuk pada katoda ketika grafit tergagap dalam busur listrik. Perhatiannya tertuju pada struktur sedimen yang tidak biasa, yang terdiri dari filamen dan serat mikroskopis. Pengukuran mikroskop elektron telah menunjukkan bahwa diameter filamen tersebut tidak melebihi beberapa nanometer, dan panjangnya dari satu hingga beberapa mikron. Setelah berhasil memotong tabung tipis di sepanjang sumbu longitudinal, para ilmuwan menemukan bahwa itu terdiri dari satu atau lebih lapisan, yang masing-masing adalah kisi grafit heksagonal, yang didasarkan pada segi enam dengan atom karbon yang terletak di simpul sudut. Dalam semua kasus, jarak antara lapisan adalah 0,34 nm, yaitu, sama seperti antara lapisan dalam grafit kristal. Sebagai aturan, ujung atas tabung ditutup dengan tutup hemispherical multilayer, yang setiap lapisannya terdiri dari segi enam dan segi lima, menyerupai struktur molekul setengah fullerene.

Struktur diperpanjang terdiri dari jaringan heksagonal terlipat dengan atom karbon di node disebut nanotube. Penemuan nanotube membangkitkan minat besar di antara para peneliti yang terlibat dalam penciptaan bahan dan struktur dengan sifat fisik dan kimia yang tidak biasa.

Karbon nanotube adalah struktur silinder berongga memanjang dengan diameter beberapa hingga puluhan nanometer (panjang nanotube tradisional diukur dalam mikron, meskipun struktur dengan panjang urutan milimeter dan bahkan sentimeter sudah diperoleh di laboratorium).

Sebuah nanotube yang ideal adalah silinder yang diperoleh dengan menggulung kisi-kisi grafit heksagonal datar tanpa jahitan.Orientasi timbal balik dari jaringan heksagonal grafit dan sumbu longitudinal nanotube menentukan karakteristik struktural yang sangat penting dari nanotube, yang disebut kiralitas. Kiralitas dicirikan oleh dua bilangan bulat ( M N ) yang menunjukkan lokasi segi enam kisi yang, sebagai hasil pelipatan, harus bertepatan dengan segi enam yang terletak di titik asal.

Hal tersebut di atas diilustrasikan pada Gambar. 1.1, yang menunjukkan bagian dari jaringan grafit heksagonal, yang melipatnya menjadi silinder mengarah pada pembentukan nanotube lapisan tunggal dengan kiralitas yang berbeda. Kiralitas nanotube juga dapat ditentukan secara unik oleh sudut yang dibentuk oleh arah lipatan nanotube dan arah di mana segi enam yang berdekatan memiliki sisi yang sama. Arah ini juga ditunjukkan pada Gambar 1.1. Ada banyak varian lipat nanotube, tetapi di antaranya menonjol, sehingga struktur jaringan heksagonal tidak terdistorsi. Arah-arah ini sesuai dengan sudut a = 0 dan a = 30°, yang sesuai dengan kiralitas(m , 0) dan (2n , n ).

Indeks kiralitas tabung satu lapis menentukan diameternya D :

dimana d0 = 0,142 nm adalah jarak antara atom karbon dalam kisi heksagonal grafit. Ekspresi di atas memungkinkan untuk menentukan kiralitasnya dari diameter nanotube.

Gbr.1.1. Sebuah model untuk pembentukan nanotube dengan kiralitas yang berbeda ketika grid heksagonal grafit digulung menjadi silinder.

Karbon nanotube dicirikan oleh berbagai macam bentuk. Misalnya, mereka dapat berdinding tunggal atau berdinding banyak (lapisan tunggal atau multi-lapisan), lurus atau spiral, panjang dan pendek, dll.

Pada Gambar.1.2. dan Gambar 1.3 model karbon single-layer dan model karbon multilayer nanotube disajikan, masing-masing.

Gambar 1.2 Model tabung nano karbon satu lapis

Gbr.1.3 Model nanotube karbon multilayer

Nanotube karbon multilayer berbeda dari yang single-layer dalam berbagai bentuk dan konfigurasi yang lebih luas. Varietas yang mungkin dari struktur transversal nanotube multilayer ditunjukkan pada Gambar 1.4.a dan b. Struktur yang ditunjukkan pada Gambar 1.4.a, disebut matryoshka Rusia. Ini adalah nanotube silinder lapisan tunggal yang bersarang secara koaksial. Struktur yang ditunjukkan pada gambar. 1.4.b, menyerupai gulungan atau gulungan yang digulung. Untuk semua struktur yang dipertimbangkan, jarak rata-rata antara lapisan yang berdekatan, seperti pada grafit, adalah 0,34 nm.

Gbr.1.4. Model penampang nanotube multilayer: a - matryoshka Rusia, b - gulir.

Dengan bertambahnya jumlah lapisan, penyimpangan dari bentuk silinder yang ideal menjadi semakin jelas. Dalam beberapa kasus, kulit terluar berbentuk polihedron. Terkadang lapisan permukaan adalah struktur dengan susunan atom karbon yang tidak teratur. Dalam kasus lain, cacat dalam bentuk segi lima dan segi enam terbentuk pada jaringan heksagonal ideal dari lapisan luar tabung nano, yang mengarah pada pelanggaran bentuk silinder. Kehadiran segi lima menyebabkan cembung, dan segi enam, pembengkokan cekung dari permukaan silinder nanotube. Cacat seperti itu menyebabkan munculnya nanotube bengkok dan heliks, yang dalam proses pertumbuhan memutar dan memutar di antara mereka sendiri, membentuk loop dan struktur panjang lainnya dari bentuk kompleks.

Yang penting, nanotube terbukti sangat kuat dalam ketegangan dan lentur. Di bawah aksi tekanan mekanis yang tinggi, nanotube tidak robek, tidak pecah, tetapi strukturnya hanya diatur ulang. By the way, karena kita berbicara tentang kekuatan nanotube, menarik untuk dicatat salah satu studi terbaru tentang sifat properti ini.

Peneliti Rice University yang dipimpin oleh Boris Jacobson telah menemukan bahwa karbon nanotube berperilaku seperti "struktur penyembuhan diri yang cerdas" (studi ini diterbitkan 16 Februari 2007 dalam jurnal Physical Review Letters). Jadi, di bawah tekanan mekanis kritis dan deformasi yang disebabkan oleh perubahan suhu atau radiasi radioaktif, nanotube dapat "memperbaiki" diri mereka sendiri. Ternyata selain sel 6-karbon, nanotube juga mengandung gugus lima dan tujuh atom. Sel 5/7-atom ini menunjukkan perilaku yang tidak biasa, bersepeda di sepanjang permukaan karbon nanotube seperti kapal uap di laut. Ketika kerusakan terjadi di lokasi cacat, sel-sel ini mengambil bagian dalam "penyembuhan luka", mendistribusikan kembali energi.

Selain itu, nanotube menunjukkan banyak sifat listrik, magnetik, dan optik yang tak terduga, yang telah menjadi objek dari sejumlah penelitian. Fitur nanotube karbon adalah konduktivitas listriknya, yang ternyata lebih tinggi daripada semua konduktor yang dikenal. Mereka juga memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, stabil secara kimia dan, yang paling menarik, dapat memperoleh sifat semikonduktor. Dalam hal sifat elektronik, nanotube karbon dapat berperilaku seperti logam atau seperti semikonduktor, yang ditentukan oleh orientasi poligon karbon relatif terhadap sumbu tabung.

Nanotube cenderung melekat erat satu sama lain, membentuk set yang terdiri dari nanotube logam dan semikonduktor. Sampai saat ini, tugas yang sulit adalah sintesis array hanya semikonduktor nanotube atau pemisahan (pemisahan) nanotube semikonduktor dari yang logam.

2. Sifat nanotube karbon

efek kapiler

Untuk mengamati efek kapiler, perlu untuk membuka nanotube, yaitu untuk menghilangkan bagian atas - tutupnya. Untungnya, operasi ini cukup sederhana. Salah satu cara untuk melepaskan tutupnya adalah dengan menganil nanotube pada 850 ° C selama beberapa jam dalam aliran karbon dioksida. Sebagai hasil oksidasi, sekitar 10% dari semua nanotube terbuka. Cara lain untuk menghancurkan ujung tertutup nanotube adalah paparan asam nitrat pekat selama 4,5 jam pada suhu 240 ° C. Sebagai hasil dari perawatan ini, 80% dari nanotube menjadi terbuka.

Studi pertama tentang fenomena kapiler menunjukkan bahwa ada hubungan antara besarnya tegangan permukaan cairan dan kemungkinan ditarik ke dalam saluran nanotube. Ternyata cairan menembus saluran nanotube jika tegangan permukaannya tidak lebih dari 200 mN/m. Oleh karena itu, untuk memasukkan zat apa pun ke dalam nanotube, pelarut dengan tegangan permukaan rendah digunakan. Misalnya, asam nitrat pekat, tegangan permukaannya rendah (43 mN/m), digunakan untuk memasukkan logam tertentu ke dalam saluran nanotube. Kemudian anil dilakukan pada 400 ° C selama 4 jam dalam atmosfer hidrogen, yang mengarah pada reduksi logam. Dengan cara ini, nanotube yang mengandung nikel, kobalt, dan besi diperoleh.

Seiring dengan logam, nanotube karbon dapat diisi dengan zat gas, seperti molekul hidrogen. Kemampuan ini sangat penting secara praktis, karena membuka kemungkinan penyimpanan hidrogen yang aman, yang dapat digunakan sebagai bahan bakar ramah lingkungan di mesin pembakaran internal.

Resistivitas listrik dari karbon nanotube

Karena ukuran nanotube karbon yang kecil, hanya pada tahun 1996 dimungkinkan untuk secara langsung mengukur resistivitas listriknya p menggunakan metode empat cabang. Untuk menghargai keterampilan eksperimental yang diperlukan untuk ini, kami akan memberikan deskripsi singkat tentang metode ini. Garis-garis emas diendapkan pada permukaan silikon oksida yang dipoles dalam ruang hampa. Nanotube sepanjang 2-3 m diendapkan di antara mereka. Kemudian, empat konduktor tungsten setebal 80 nm diendapkan pada salah satu nanotube yang dipilih untuk pengukuran, susunannya ditunjukkan pada Gambar. 2. Setiap konduktor tungsten memiliki kontak dengan salah satu strip emas. Jarak antara kontak pada nanotube adalah dari 0,3 hingga 1 m. Hasil pengukuran langsung menunjukkan bahwa resistivitas nanotube dapat bervariasi dalam rentang yang luas, dari 5,1 10-6 hingga 0,8 ohm/cm. Nilai p minimum adalah urutan besarnya lebih rendah dari grafit. Sebagian besar nanotube memiliki konduktivitas logam, sedangkan bagian yang lebih kecil menunjukkan sifat semikonduktor dengan celah pita 0,1 hingga 0,3 eV.

Gbr.2. Skema untuk mengukur hambatan listrik dari nanotube individu dengan metode empat probe: 1 - substrat silikon oksida, 2 - bantalan emas 3 - trek konduktif tungsten, 4 - tabung nano karbon.

3.Metode untuk sintesis karbon nanotube

3.1 Metode busur listrik

Metode yang paling banyak digunakan untuk mendapatkan nanotube,

menggunakan penyemprotan termal elektroda grafit dalam plasma

pelepasan busur terbakar di atmosfer helium.

Dalam pelepasan busur antara anoda dan katoda pada tegangan 20–25 V, arus busur searah yang stabil 50–100 A, jarak antarelektroda 0,5–2 mm, dan tekanan He 100–500 Torr, intensif sputtering bahan anoda terjadi. Bagian dari produk sputtering yang mengandung grafit, jelaga, dan fullerene diendapkan pada dinding chamber yang didinginkan, sedangkan bagian yang mengandung grafit dan karbon nanotube multilayer (MWNTs) diendapkan pada permukaan katoda. Banyak faktor yang mempengaruhi hasil nanotube.

Yang paling penting adalah tekanan He dalam ruang reaksi, yang, dalam kondisi optimal dari sudut pandang produksi NT, adalah 500 Torr, dan bukan 100-150 Torr, seperti dalam kasus fullerene. Faktor lain yang sama pentingnya adalah arus busur: keluaran maksimum NT diamati pada arus busur minimum yang diperlukan untuk pembakaran yang stabil. Pendinginan dinding ruang dan elektroda yang efisien juga penting untuk menghindari keretakan anoda dan penguapan seragamnya, yang mempengaruhi isi

NT di deposit katoda.

Penggunaan perangkat otomatis untuk menjaga jarak antarelektroda pada tingkat yang tetap meningkatkan stabilitas parameter pelepasan busur dan memperkaya bahan katoda dengan nanotube.

menyetorkan.

3.2 Laser sputtering

Pada tahun 1995, sebuah laporan muncul tentang sintesis karbon nanotube dengan menyemburkan target grafit di bawah pengaruh radiasi laser berdenyut dalam atmosfer gas inert (He atau Ar). Target grafit ditempatkan dalam tabung kuarsa pada suhu 1200 tentang C, melalui mana gas penyangga mengalir.

Sinar laser yang difokuskan oleh sistem lensa memindai permukaan

target grafit untuk memastikan penguapan bahan target yang seragam.

Uap yang dihasilkan dari penguapan laser memasuki aliran

gas inert dan dibawa keluar dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah, di mana ia diendapkan pada substrat tembaga berpendingin air.

Jelaga yang mengandung NT dikumpulkan dari substrat tembaga, dinding tabung kuarsa, dan bagian belakang target. Begitu juga dengan metode arc, ternyata

beberapa jenis bahan akhir:

1) dalam percobaan di mana grafit murni digunakan sebagai target, diperoleh MWNT, yang memiliki panjang hingga 300 nm dan terdiri dari 4-24 silinder graphene. Struktur dan konsentrasi NT tersebut dalam bahan awal terutama ditentukan oleh suhu. Pada 1200 tentang Dengan semua NT yang diamati tidak mengandung cacat dan memiliki tutup di ujungnya. Ketika suhu sintesis diturunkan ke 900 tentang C, cacat muncul di NT, yang jumlahnya meningkat dengan penurunan suhu lebih lanjut, dan pada 200 tentang Tidak ada pembentukan NT yang diamati.

2) ketika sejumlah kecil logam transisi ditambahkan ke target, SWCNTs diamati dalam produk kondensasi. Namun, selama penguapan, target menjadi diperkaya dengan logam, dan hasil SWNT menurun.

Untuk mengatasi masalah ini, mereka mulai menggunakan dua target yang diiradiasi secara bersamaan, salah satunya adalah grafit murni, dan yang lainnya terdiri dari paduan logam.

Persentase hasil NT bervariasi secara dramatis tergantung pada katalis. Misalnya, hasil NT yang tinggi diperoleh pada katalis Ni, Co, campuran Ni dan Co dengan unsur lain. SWCNT yang diperoleh memiliki diameter yang sama dan digabungkan menjadi balok dengan diameter 5-20 nm. Campuran Ni/Pt dan Co/Pt memberikan hasil NT yang tinggi, sedangkan platinum murni menghasilkan hasil SWNT yang rendah. Campuran Co/Cu memberikan hasil SWNT yang rendah, dan penggunaan tembaga murni tidak mengarah pada pembentukan SWNT sama sekali. Tutup bola diamati di ujung SWNT yang bebas dari partikel katalis.

Sebagai variasi, sebuah metode telah tersebar luas, di mana alih-alih radiasi laser berdenyut, radiasi matahari terfokus digunakan. Metode ini digunakan untuk mendapatkan fullerene, dan setelahnya

perbaikan untuk mendapatkan NT. Sinar matahari, yang jatuh pada cermin datar dan dipantulkan, membentuk pancaran sinar sejajar bidang pada cermin parabola. Pada fokus cermin adalah perahu grafit yang diisi dengan campuran grafit dan bubuk logam. Perahu berada di dalam tabung grafit, yang berfungsi sebagai pelindung panas. Seluruh sistem ditempatkan dalam ruang yang diisi dengan gas inert.

Berbagai logam dan campurannya diambil sebagai katalis. Struktur yang berbeda diperoleh tergantung pada katalis yang dipilih dan tekanan gas inert. Menggunakan katalis nikel-kobalt pada tekanan gas penyangga rendah, sampel yang disintesis sebagian besar terdiri dari MWNT seperti bambu. Dengan peningkatan tekanan, SWNT dengan diameter 1-2 nm muncul dan mulai mendominasi; SWNT digabungkan menjadi bundel dengan diameter hingga 20 nm dengan permukaan yang bebas dari karbon amorf.

3.3 Dekomposisi katalitik hidrokarbon

Metode yang banyak digunakan untuk produksi NT didasarkan pada penggunaan dekomposisi asetilena dengan adanya katalis. Partikel logam Ni, Co, Cu, dan Fe berukuran beberapa nanometer digunakan sebagai katalis. Sebuah perahu keramik dengan 20-50 mg katalis ditempatkan dalam tabung kuarsa panjang 60 cm dan diameter dalam 4 mm. Campuran asetilena C2H2 (2,5-10%) dan nitrogen dipompa melalui tabung selama beberapa jam pada suhu 500-1100 tentang C. Kemudian sistem didinginkan sampai suhu kamar. Empat jenis struktur diamati dalam percobaan dengan katalis kobalt:

1) lapisan karbon amorf pada partikel katalis;

2) partikel katalis logam yang dienkapsulasi oleh lapisan graphene;

3) benang yang dibentuk oleh karbon amorf;

4) MSNT.

Nilai terkecil dari diameter dalam MWNT ini adalah 10 nm. Diameter luar NT yang bebas dari karbon amorf berada pada kisaran 25–30 nm, dan untuk NT yang dilapisi karbon amorf, hingga 130 nm. Panjang NT ditentukan oleh waktu reaksi dan bervariasi dari 100 nm sampai 10 m.

Hasil dan struktur NT tergantung pada jenis katalis - penggantian Co dengan Fe memberikan konsentrasi NT yang lebih rendah dan jumlah NT bebas cacat berkurang. Ketika katalis nikel digunakan, sebagian besar filamen memiliki struktur amorf, kadang-kadang ditemukan NT dengan struktur grafit dan bebas cacat. Benang dengan bentuk tidak beraturan dan struktur amorf terbentuk pada katalis tembaga. Partikel logam yang dienkapsulasi dalam lapisan graphene diamati dalam sampel. NT dan utas yang diterima mengambil berbagai bentuk - langsung; melengkung, terdiri dari bagian lurus; zig-zag; spiral. Dalam beberapa kasus, helix pitch memiliki nilai konstanta semu.

Saat ini, telah menjadi perlu untuk mendapatkan array NT berorientasi, yang ditentukan oleh penggunaan struktur seperti emitter. Ada dua cara untuk mendapatkan susunan NT berorientasi: orientasi NT yang sudah tumbuh dan pertumbuhan NT berorientasi menggunakan metode katalitik.

Diusulkan untuk menggunakan silikon berpori, yang pori-porinya diisi dengan nanopartikel besi, sebagai substrat untuk pertumbuhan NT. Substrat ditempatkan dalam buffer gas dan media asetilena pada suhu 700 tentang C, di mana besi mengkatalisis proses dekomposisi termal asetilena. Akibatnya, di area beberapa mm 2 , tegak lurus terhadap substrat, NT multilayer berorientasi terbentuk.

Metode serupa adalah penggunaan aluminium anodized sebagai substrat. Pori-pori aluminium anodized diisi dengan kobalt. Substrat ditempatkan dalam campuran asetilen dan nitrogen yang mengalir pada suhu 800 tentang C. NT berorientasi yang dihasilkan memiliki diameter rata-rata 50,0±0,7 nm dengan jarak antar tabung 104,2±2,3 nm. Kepadatan rata-rata ditentukan pada tingkat 1,1x1010 NT/cm 2 . TEM nanotube mengungkapkan struktur grafit yang baik dengan jarak antara lapisan graphene 0,34 nm. Dilaporkan bahwa dengan mengubah parameter dan waktu pemrosesan substrat aluminium, dimungkinkan untuk mengubah diameter NT dan jarak di antara keduanya.

Metode dilanjutkan pada suhu yang lebih rendah (di bawah 666 tentang C) juga dijelaskan dalam artikel. Suhu rendah selama sintesis memungkinkan untuk menggunakan kaca dengan lapisan film nikel yang diendapkan sebagai substrat. Film nikel berfungsi sebagai katalis untuk pertumbuhan NT dengan deposisi uap plasma teraktivasi filamen panas. Asetilena digunakan sebagai sumber karbon. Dengan mengubah kondisi eksperimental, dimungkinkan untuk mengubah diameter tabung dari 20 menjadi 400 nm dan panjangnya dalam kisaran 0,1-50 m. MWNT berdiameter besar (>100 nm) yang diperoleh lurus dan sumbunya diarahkan tegak lurus terhadap substrat. Kerapatan NT yang teramati menurut pemindaian mikroskop elektron adalah 107 NT/mm 2 . Ketika diameter NT menjadi kurang dari 100 nm, orientasi tegak lurus yang disukai terhadap bidang substrat menghilang. Array MWNT berorientasi dapat dibuat di atas area beberapa cm 2 .

3.4 Sintesis elektrolitik

Ide utama dari metode ini adalah untuk mendapatkan nanotube karbon dengan melewatkan arus listrik antara elektroda grafit dalam garam ionik cair. Katoda grafit dikonsumsi selama reaksi dan berfungsi sebagai sumber atom karbon. Akibatnya, berbagai nanomaterial terbentuk. Anoda adalah perahu yang terbuat dari grafit kemurnian tinggi dan diisi dengan lithium klorida. Perahu dipanaskan sampai titik leleh lithium klorida (604 tentang C) di udara atau di atmosfer gas inert (argon). Katoda direndam dalam litium klorida cair dan arus 1-30 A dilewatkan di antara elektroda selama satu menit.Selama aliran arus, bagian katoda yang direndam dalam lelehan terkikis. Selanjutnya, lelehan elektrolit yang mengandung partikelkarbon, didinginkan sampai suhu kamar.

Untuk mengisolasi partikel karbon hasil erosi katoda, garam dilarutkan dalam air. Endapan diisolasi, dilarutkan dalam toluena, dan didispersikan dalam penangas ultrasonik. Produk sintesis elektrolit dipelajari menggunakan TEM. Terungkap bahwa mereka

terdiri dari partikel logam yang dienkapsulasi, bawang, dan karbon NT dari berbagai morfologi, termasuk spiral dan sangat melengkung. tergantung

Tergantung pada kondisi eksperimental, diameter nanotube yang dibentuk oleh lapisan graphene silinder bervariasi dari 2 hingga 20 nm. Panjang MWNT mencapai 5 m.

Kondisi arus optimal ditemukan - 3-5 A. Pada nilai arus tinggi (10-30 A), hanya partikel terenkapsulasi dan karbon amorf yang terbentuk. Pada

nilai arus rendah (<1А) образуется только аморфный углерод.

3.5 Metode kondensasi

Dalam metode kondensasi uap kuasi-bebas, uap karbon terbentuk sebagai hasil dari pemanasan resistif pita grafit dan mengembun pada substrat grafit pirolitik yang sangat teratur, didinginkan hingga suhu 30 tentang C dalam ruang hampa 10-8 Torr. Studi TEM dari film yang diperoleh dengan ketebalan 2-6 nm menunjukkan bahwa mereka mengandung nanotube karbon dengan diameter 1-7 nm dan panjang hingga 200 nm, yang sebagian besar berakhir di ujung bulat. Kandungan NT dalam sedimen melebihi 50%. Untuk NT multilayer, jarak antara lapisan graphene yang membentuknya adalah 0,34 nm. Tabung terletak di substrat hampir horizontal.

3.6 Metode penghancuran struktural

Metode ini dikembangkan oleh para peneliti di lab IBM. Seperti itu

dikatakan sebelumnya, nanotube memiliki logam dan

sifat semikonduktor. Namun, untuk produksi sejumlah perangkat yang didasarkan pada mereka, khususnya, transistor dan, lebih lanjut, prosesor yang menggunakannya, hanya nanotube semikonduktor yang diperlukan. Para ilmuwan di IBM mengembangkan metode yang disebut "penghancuran konstruktif" yang memungkinkan mereka menghancurkan semua nanotube logam sambil membiarkan nanotube semikonduktor tetap utuh. Artinya, mereka secara berurutan menghancurkan satu cangkang dalam tabung nano berdinding banyak, atau secara selektif menghancurkan tabung nano logam berdinding tunggal.

Berikut adalah bagaimana proses ini dijelaskan secara singkat:

1. "Tali" lengket dari tabung logam dan semikonduktor ditempatkan pada substrat silikon oksida.

2. Kemudian topeng litografi diproyeksikan ke substrat untuk membentuk

elektroda (jarak logam) di atas nanotube. Elektroda ini

berfungsi sebagai sakelar untuk menghidupkan/mematikan

nanotube semikonduktor.

3. Menggunakan substrat silikon itu sendiri sebagai elektroda, para ilmuwan "mematikan"

nanotube semikonduktor yang hanya memblokir aliran arus apa pun yang melaluinya.

4. Tabung nano logam dibiarkan tidak terlindungi. Setelah itu, tegangan yang sesuai diterapkan ke substrat, yang menghancurkan nanotube logam, sedangkan nanotube semikonduktor tetap terisolasi. Hasilnya adalah susunan padat nanotube semikonduktor yang utuh dan dapat diterapkan - transistor yang dapat digunakan untuk membuat sirkuit logika - yaitu, prosesor. Sekarang mari kita lihat proses ini secara lebih rinci. Cangkang MWNT yang berbeda mungkin memiliki sifat listrik yang berbeda. Akibatnya, struktur elektronik dan mekanisme transfer elektron dalam MWNT berbeda. Kompleksitas struktural ini memungkinkan hanya satu cangkang MWNT untuk dipilih dan digunakan: cangkang yang memiliki sifat yang diinginkan. Penghancuran nanotube multi-dinding terjadi di udara pada tingkat daya tertentu, melalui

oksidasi kulit karbon terluar. Selama penghancuran, arus yang mengalir melalui MWNT berubah dalam langkah-langkah, dan langkah-langkah ini bertepatan dengan penghancuran cangkang individu dengan keteraturan yang mengejutkan. Dengan mengontrol proses pelepasan selubung satu per satu, dimungkinkan untuk membuat tabung dengan karakteristik yang diinginkan dari selubung luar, logam atau semikonduktor. Dengan memilih diameter kulit terluar, seseorang dapat memperoleh celah pita yang diinginkan.

Jika "tali" dengan nanotube berdinding tunggal digunakan untuk membuat transistor efek medan, maka tabung logam tidak dapat dibiarkan di dalamnya, karena mereka akan mendominasi dan menentukan sifat transportasi perangkat, mis. tidak akan memiliki efek medan. Masalah ini juga diselesaikan dengan penghancuran selektif. Tidak seperti MWNT, dalam "tali" tipis, setiap SWNT dapat dihubungkan secara terpisah ke elektroda eksternal. Dengan demikian, "tali" dengan MWNT dapat direpresentasikan sebagai konduktor paralel independen dengan total konduktivitas total yang dihitung dengan rumus:

G(Vg) = Gm + Gs(Vg),

di mana Gm dihasilkan oleh nanotube logam dan Gs adalah konduktivitas bergantung gerbang dari nanotube semikonduktor.

Selain itu, banyak SWNT di "tali" terkena udara, lingkungan yang berpotensi mengoksidasi, sehingga banyak tabung dapat dihancurkan pada saat yang sama, berbeda dengan kasus MWNT. Dan, akhirnya, nanotube berdinding tunggal dalam "tali" kecil tidak secara elektrostatik melindungi satu sama lain seefektif cangkang konsentris MWNT. Akibatnya, elektroda gerbang dapat digunakan untuk secara efektif mengurangi pembawa arus listrik (elektron atau

lubang) di SWNT semikonduktor di "tali". Ini mengubah tabung semikonduktor menjadi isolator. Dalam hal ini, oksidasi yang disebabkan oleh arus hanya dapat diarahkan ke SWNT logam di "tali".

Produksi array nanotube semikonduktor dilakukan

sederhana: dengan menempatkan "tali" SWNT pada substrat silikon teroksidasi,

Dan kemudian satu set sumber arus, elektroda pembumian dan berinsulasi ditempatkan secara litografi di atas "tali". Konsentrasi tabung dipilih sebelumnya sehingga rata-rata hanya satu "tali" yang menutup sumber dan tanah. Dalam hal ini, tidak diperlukan orientasi khusus dari nanotube. Gerbang bawah (substrat silikon itu sendiri) digunakan untuk mematikan tabung semikonduktor, dan kemudian tegangan berlebih diterapkan untuk menghancurkan tabung logam di "tali", yang menciptakan FET. Dengan menerapkan teknologi penghancuran selektif ini, ukuran nanotube karbon dapat dikontrol, yang memungkinkan konstruksi nanotube dengan sifat listrik yang telah ditentukan sebelumnya yang memenuhi karakteristik yang diperlukan dari perangkat elektronik. Tabung nano dapat digunakan sebagai kabel berukuran nano atau sebagai komponen aktif dalam perangkat elektronik, seperti transistor efek medan. Jelas bahwa, tidak seperti semikonduktor berbasis silikon, yang membutuhkan pembuatan konduktor berbasis aluminium atau tembaga untuk menghubungkan elemen semikonduktor di dalam kristal, teknologi ini hanya dapat dihilangkan dengan karbon.

Saat ini, produsen prosesor berusaha mengurangi panjang saluran di transistor untuk meningkatkan frekuensi. Teknologi yang diusulkan oleh IBM memungkinkan untuk berhasil memecahkan masalah ini dengan menggunakan nanotube karbon sebagai saluran dalam transistor.

4. Penggunaan praktis karbon nanotube

4.1 Emisi dan perisai lapangan

Ketika medan listrik kecil diterapkan di sepanjang sumbu nanotube, emisi elektron yang sangat intens terjadi dari ujungnya. Fenomena seperti itu disebut emisi medan. Efek ini dapat dengan mudah diamati dengan menerapkan tegangan kecil antara dua elektroda logam paralel, salah satunya dilapisi dengan pasta nanotube komposit. Jumlah tabung yang cukup akan tegak lurus dengan elektroda, yang memungkinkan Anda untuk mengamati emisi medan. Salah satu penerapan efek ini adalah untuk meningkatkan tampilan panel datar. Monitor televisi dan komputer menggunakan pistol elektron terkontrol untuk menyinari layar fluoresen yang memancarkan cahaya dalam warna yang diinginkan. Perusahaan Korea Samsung sedang mengembangkan layar panel datar menggunakan emisi elektron karbon nanotube. Sebuah film tipis nanotube ditempatkan pada lapisan elektronik kontrol dan atasnya dengan pelat kaca dilapisi dengan lapisan fosfor. Sebuah perusahaan Jepang menggunakan efek emisi elektron pada lampu vakum yang seterang lampu pijar konvensional, tetapi lebih efisien dan tahan lama. Peneliti lain menggunakan efek tersebut untuk mengembangkan cara baru untuk menghasilkan radiasi gelombang mikro.

Konduktivitas listrik yang tinggi dari nanotube karbon berarti bahwa mereka tidak akan mengirimkan gelombang elektromagnetik dengan baik. Plastik komposit dengan nanotube mungkin merupakan bahan ringan yang melindungi radiasi elektromagnetik. Ini adalah masalah yang sangat penting bagi militer, yang sedang mengembangkan ide-ide representasi digital dari medan perang dalam sistem komando, kontrol dan komunikasi. Komputer dan perangkat elektronik yang merupakan bagian dari sistem tersebut harus dilindungi dari senjata yang menghasilkan pulsa elektromagnetik.

4.2 Sel bahan bakar

Karbon nanotube dapat digunakan dalam pembuatan baterai.

Lithium, yang merupakan pembawa muatan di beberapa baterai, dapat ditempatkan

di dalam nanotube. Diperkirakan satu atom litium dapat ditempatkan di dalam tabung untuk setiap enam atom karbon. Kemungkinan penggunaan lain dari nanotube adalah penyimpanan hidrogen di dalamnya, yang dapat digunakan dalam desain sel bahan bakar sebagai sumber energi listrik di mobil masa depan. Sel bahan bakar terdiri dari dua elektroda dan elektrolit khusus yang memungkinkan ion hidrogen lewat di antara keduanya, tetapi tidak memungkinkan elektron untuk melewatinya. Hidrogen dikirim ke anoda di mana ia terionisasi. Elektron bebas bergerak ke katoda di sepanjang sirkuit eksternal, dan ion hidrogen berdifusi ke katoda melalui elektrolit, di mana molekul air terbentuk dari ion, elektron, dan oksigen ini. Sistem seperti itu membutuhkan sumber hidrogen. Salah satu kemungkinan adalah untuk menyimpan hidrogen di dalam nanotube karbon. Diperkirakan agar efektif dalam kapasitas ini, tabung harus menyerap 6,5% hidrogen menurut beratnya. Saat ini, hanya 4% berat hidrogen yang dapat masuk ke dalam tabung.
Metode elegan untuk mengisi nanotube karbon dengan hidrogen adalah dengan menggunakan sel elektrokimia untuk ini. Tabung nano berdinding tunggal berbentuk lembaran kertas merupakan elektroda negatif dalam larutan KOH yang merupakan elektrolit. Elektroda lainnya terdiri dari Ni(OH) 2 . Air elektrolit terurai membentuk ion hidrogen positif (H+ ) bergerak menuju elektroda negatif yang terbuat dari nanotube. Adanya ikatan hidrogen dalam tabung ditentukan dari penurunan intensitas hamburan Raman.

4.3. Katalis

Katalis adalah zat, biasanya logam atau paduan, yang meningkatkan laju reaksi kimia. Untuk beberapa reaksi kimia, nanotube karbon adalah katalis. Misalnya, nanotube multilayer dengan atom ruthenium terikat eksternal memiliki efek katalitik yang kuat pada reaksi hidrogenasi aldehida sinamat (C 6 jam 5 CH=CHCHO) dalam fase cair dibandingkan dengan efek rutenium yang sama pada substrat karbon lainnya. Reaksi kimia juga dilakukan di dalam nanotube karbon, misalnya reduksi nikel oksida NiO menjadi logam nikel dan A l 1 3 untuk aluminium. Aliran gas hidrogen H 2 pada 475 °C sebagian mengurangi Mo O 3 ke Mo O 2 bersamaan dengan pembentukan uap air di dalam nanotube multilayer. Kristal CdS kadmium sulfida terbentuk di dalam nanotube melalui reaksi kristal kadmium oksida CdO dengan hidrogen sulfida (H 2 S) pada 400 °C.

4.4 Sensor kimia

Telah ditetapkan bahwa transistor efek medan yang dibuat pada nanotube kiral semikonduktor adalah detektor sensitif dari berbagai gas. Transistor efek medan ditempatkan dalam bejana dengan kapasitas 500 ml dengan kabel catu daya dan dua katup untuk saluran masuk dan keluar gas yang mencuci transistor. Aliran gas yang mengandung 2 sampai 200 ppm N O2 , pada kecepatan 700 ml/menit selama 10 menit menyebabkan peningkatan tiga kali lipat dalam konduktivitas nanotube. Efek ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika mengikat N O2 dengan nanotube, muatan ditransfer dari nanotube ke grup N O2 , meningkatkan konsentrasi lubang di nanotube dan konduktivitasnya.

4.5 Kabel kuantum

Studi teoretis dan eksperimental dari sifat listrik dan magnetik nanotube telah mengungkapkan sejumlah efek yang menunjukkan sifat kuantum transfer muatan dalam kabel molekul ini dan dapat digunakan dalam perangkat elektronik.

Konduktivitas kawat biasa berbanding terbalik dengan panjangnya dan berbanding lurus dengan penampang, sedangkan dalam kasus nanotube tidak tergantung pada panjang atau ketebalannya dan sama dengan kuantum konduktivitas (12,9 kΩ-1 ) - nilai batas konduktivitas, yang sesuai dengan transfer bebas elektron terdelokalisasi di sepanjang konduktor.

Pada suhu biasa, nilai rapat arus yang teramati (107 A(cm–2)) adalah dua kali lipat lebih tinggi daripada rapat arus yang dicapai saat ini oleh

superkonduktor.

Sebuah nanotube yang bersentuhan dengan dua elektroda superkonduktor pada suhu sekitar 1 K menjadi superkonduktor. Efek ini disebabkan oleh fakta bahwa pasangan elektron Cooper terbentuk

dalam elektroda superkonduktor, tidak membusuk saat melewati

tabung nano.

Pada suhu rendah, peningkatan arus secara bertahap (kuantisasi konduktivitas) diamati pada tabung nano logam dengan peningkatan tegangan bias V yang diterapkan ke tabung nano: setiap lompatan sesuai dengan munculnya tingkat delokalisasi berikutnya dari tabung nano di celah antara tingkat Fermi katoda dan anoda.

Tabung nano memiliki ketahanan magnet yang nyata: konduktivitas listrik sangat bergantung pada induksi medan magnet. Jika medan eksternal diterapkan ke arah sumbu nanotube, osilasi nyata dalam konduktivitas listrik diamati; jika medan diterapkan tegak lurus terhadap sumbu NT, maka peningkatannya diamati.

4.6 LED

Aplikasi lain dari MWNT adalah fabrikasi LED berdasarkan bahan organik. Dalam hal ini, metode berikut digunakan untuk persiapannya: Serbuk NT dicampur dengan elemen organik dalam toluena dan disinari dengan ultrasound, kemudian larutan didiamkan selama 48 jam. Tergantung pada jumlah awal komponen, berbagai fraksi massa NT diperoleh. Untuk pembuatan LED, bagian atas larutan dihilangkan dan diendapkan pada substrat kaca dengan sentrifugasi, setelah itu elektroda aluminium disemprotkan ke lapisan polimer. Perangkat yang dihasilkan dipelajari oleh electroluminescence, yang mengungkapkan puncak radiasi mereka di wilayah spektrum inframerah (600-700 nm).

KESIMPULAN

Saat ini, nanotube karbon menarik banyak perhatian karena kemungkinan fabrikasi perangkat berukuran nanometer berdasarkan mereka. Meskipun banyak penelitian di bidang ini, masalah produksi massal perangkat tersebut tetap terbuka, yang dikaitkan dengan ketidakmungkinan kontrol yang tepat dari produksi nanotube dengan parameter dan sifat yang diinginkan.

Namun, dalam waktu dekat, perkembangan pesat di bidang ini harus diharapkan karena kemungkinan pembuatan mikroprosesor dan chip berdasarkan nanotransistor dan, sebagai hasilnya, investasi di bidang ini oleh perusahaan yang berspesialisasi dalam teknologi komputer.

BIBLIOGRAFI

1. nanotube karbon. Bahan untuk komputer abad XXI, P.N. Dyachkov. Prioda No. 11, 2000
2. Rakov E.G. Metode untuk mendapatkan nanotube karbon // Kemajuan dalam Kimia. -2000. - T. 69. - No. 1. - S. 41-59.
3. Rakov E.G. Kimia dan penerapan karbon nanotube // Kemajuan dalam Kimia. 2001. - T. 70. - No. 11. - S. 934-973.
4. Eletsky A.V. // Sukses fisik. Ilmu. 1997. V. 167, No. 9. S. 945-972.
5. Zolotukhin I.V. nanotube karbon. Institut Teknik Negeri Voronezh.
6. http://skybox.org.ua/

halaman 15

Karya terkait lainnya yang mungkin menarik bagi Anda.vshm>
.			732KB

Diyakini bahwa penemu nanotube karbon adalah karyawan perusahaan Jepang NEC Sumio Iijima, yang pada tahun 1991 mengamati struktur nanotube multilayer ketika mempelajari endapan di bawah mikroskop elektron, yang terbentuk selama sintesis bentuk molekul karbon murni yang memiliki sebuah struktur seluler.

Klasifikasi

Klasifikasi utama nanotube didasarkan pada jumlah lapisan penyusunnya.

nanotube berdinding tunggal(nanotube berdinding tunggal, SNWTs) - jenis nanotube paling sederhana. Kebanyakan dari mereka memiliki diameter sekitar 1 nm dengan panjang yang bisa ribuan kali lebih panjang. Struktur nanotube berdinding tunggal dapat direpresentasikan sebagai "pembungkus" jaringan heksagonal grafit (graphene), yang didasarkan pada segi enam dengan atom karbon yang terletak di simpul sudut, menjadi silinder mulus. Ujung atas tabung ditutup dengan tutup hemispherical, yang setiap lapisannya terdiri dari segi enam dan segi lima, menyerupai struktur setengah molekul fullerene.

Gambar 1. Representasi grafis dari nanotube single-layer

nanotube multilayer(nanotube multi-dinding, MWNTs) terdiri dari beberapa lapisan graphene ditumpuk dalam bentuk tabung. Jarak antara lapisan adalah 0,34 nm, yaitu sama seperti antara lapisan dalam grafit kristal.

Ada dua model yang digunakan untuk menggambarkan struktur mereka. Nanotube multilayer dapat berupa beberapa nanotube single-layer bersarang satu di dalam yang lain (yang disebut "matryoshka"). Dalam kasus lain, satu "lembar" graphene membungkus dirinya sendiri beberapa kali, yang mirip dengan gulungan perkamen atau koran (model "perkamen").

Gambar 2. Gambar grafis dari nanotube multilayer (model matryoshka)

Metode sintesis

Metode yang paling umum untuk sintesis nanotube adalah metode busur listrik, ablasi laser, dan deposisi uap kimia (CVD).

Pelepasan busur - inti dari metode ini terletak pada produksi karbon nanotube dalam plasma pelepasan busur yang terbakar dalam atmosfer helium di instalasi teknologi untuk produksi fullerene. Namun, mode lengkung lain digunakan di sini: kerapatan arus rendah dari pelepasan busur, tekanan helium lebih tinggi (~ 500 Torr), katoda berdiameter lebih besar.

Untuk meningkatkan hasil nanotube dalam produk sputtering, katalis (campuran logam golongan besi) dimasukkan ke dalam batang grafit, tekanan gas inert dan mode sputtering diubah.

Kandungan nanotube pada deposit katoda mencapai 60%. Nanotube yang dihasilkan hingga panjang 40 m tumbuh dari katoda tegak lurus ke permukaannya dan bergabung menjadi balok silinder dengan diameter sekitar 50 km.

Ablasi laser

Metode ini ditemukan oleh Richard Smalley dan Rice University dan didasarkan pada penguapan target grafit dalam reaktor suhu tinggi. Tabung nano muncul di permukaan reaktor yang didinginkan sebagai kondensat penguapan grafit. Permukaan berpendingin air dapat dimasukkan dalam sistem pengumpulan nanotube.

Hasil produk dalam metode ini adalah sekitar 70%. Dengan bantuannya, diperoleh nanotube karbon berdinding tunggal dengan diameter yang dikendalikan oleh suhu reaksi. Namun, biaya metode ini jauh lebih mahal daripada yang lain.

Deposisi uap kimia (CVD)

Metode deposisi uap karbon katalitik ditemukan kembali pada tahun 1959, tetapi sampai tahun 1993 tidak ada yang berasumsi bahwa nanotube dapat diperoleh dalam proses ini.

Dalam proses metode ini, substrat dibuat dengan lapisan katalis - partikel logam (paling sering nikel, kobalt, besi, atau kombinasinya). Diameter nanotube tumbuh dengan cara ini tergantung pada ukuran partikel logam.

Substrat dipanaskan hingga sekitar 700 °C. Untuk memulai pertumbuhan nanotube, dua jenis gas dimasukkan ke dalam reaktor: gas proses (misalnya, amonia, nitrogen, hidrogen, dll.) dan gas yang mengandung karbon (asitilen, etilen, etanol, metana, dll.). Nanotube mulai tumbuh di situs katalis logam.

Mekanisme ini adalah metode komersial yang paling umum untuk produksi nanotube karbon. Di antara metode lain untuk mendapatkan nanotube, CVD adalah yang paling menjanjikan pada skala industri karena rasio terbaik dalam hal harga satuan. Selain itu, memungkinkan untuk mendapatkan nanotube berorientasi vertikal pada substrat yang diinginkan tanpa pengumpulan tambahan, serta untuk mengontrol pertumbuhannya melalui katalis.

Area penggunaan

Karbon nanotube, bersama dengan fullerene dan struktur karbon mesopori, membentuk kelas baru bahan nano karbon, atau struktur kerangka karbon, dengan sifat yang berbeda secara signifikan dari bentuk karbon lain seperti grafit dan berlian. Namun, nanotube adalah yang paling menjanjikan di antara mereka.

Tertarik dengan bisnis nanomaterial? Maka Anda mungkin tertarik

Karbon nanotube adalah masa depan teknologi inovatif. Produksi dan pengenalan nanotubulenes akan meningkatkan kualitas barang dan produk, secara signifikan mengurangi berat dan meningkatkan kekuatannya, serta memberi mereka karakteristik baru.

Karbon nanotube atau struktur nano tubular (nanotubulene) adalah struktur silinder berongga berdinding tunggal atau multi yang dibuat secara artifisial di laboratorium, diperoleh dari atom karbon dan memiliki sifat mekanik, listrik, dan fisik yang luar biasa.

Karbon nanotube terbuat dari atom karbon dan berbentuk seperti tabung atau silinder. Mereka sangat kecil (dalam skala nano), dengan diameter satu hingga beberapa puluh nanometer dan panjang hingga beberapa sentimeter. Karbon nanotube terdiri dari grafit, tetapi memiliki karakteristik lain yang bukan karakteristik grafit. Mereka tidak ada di alam. Asal mereka buatan. Tubuh nanotube adalah sintetis, dibuat oleh orang-orang secara independen dari awal hingga akhir.

Jika Anda melihat tabung nano yang diperbesar satu juta kali, Anda dapat melihat silinder memanjang yang terdiri dari segi enam sama sisi dengan atom karbon di simpulnya. Ini adalah bidang grafit yang digulung menjadi tabung. Kiralitas nanotube menentukan karakteristik dan sifat fisiknya.

Diperbesar satu juta kali, nanotube adalah silinder memanjang yang terdiri dari segi enam sama sisi dengan atom karbon di simpulnya. Ini adalah bidang grafit yang digulung menjadi tabung.

Kiralitas adalah sifat molekul yang tidak bertepatan di ruang angkasa dengan bayangan cerminnya.

Lebih jelasnya, kiral adalah ketika Anda melipat, misalnya, selembar kertas secara merata. Jika miring, maka ini sudah menjadi akhirat. Nanotubulenes dapat memiliki struktur single-layer dan multilayer. Struktur multilayer tidak lebih dari beberapa nanotube single-layer "berpakaian" satu-satu.

Sejarah penemuan

Tanggal pasti penemuan nanotube dan penemunya tidak diketahui. Topik ini menjadi bahan perdebatan dan penalaran, karena ada banyak deskripsi paralel tentang struktur ini oleh para ilmuwan dari berbagai negara. Kesulitan utama dalam mengidentifikasi penemu terletak pada kenyataan bahwa nanotube dan nanofibers, yang jatuh ke bidang pandang para ilmuwan, tidak menarik perhatian mereka untuk waktu yang lama dan tidak dipelajari dengan cermat. Karya ilmiah yang ada membuktikan bahwa kemungkinan membuat nanotube dan serat dari bahan yang mengandung karbon secara teoritis diperbolehkan pada paruh kedua abad terakhir.

Alasan utama mengapa penelitian yang serius tentang senyawa karbon mikron tidak dilakukan untuk waktu yang lama adalah karena pada saat itu para ilmuwan belum memiliki dasar ilmiah yang cukup kuat untuk penelitian, yaitu, tidak ada peralatan yang mampu memperbesar objek penelitian ke tingkat yang lebih tinggi. diperlukan tingkat dan tembus struktur mereka.

Jika kita mengatur peristiwa dalam studi senyawa nanokarbon dalam urutan kronologis, maka bukti pertama jatuh pada tahun 1952, ketika ilmuwan Soviet Radushkevich dan Lukyanovich memperhatikan struktur nanofibrous yang terbentuk selama dekomposisi termal karbon monoksida (nama Rusia adalah oksida). ). Struktur yang diamati menggunakan peralatan mikroskop elektron memiliki serat dengan diameter sekitar 100 nm. Sayangnya, banyak hal tidak lebih dari memperbaiki struktur nano yang tidak biasa, dan tidak ada penelitian lebih lanjut yang diikuti.

Setelah 25 tahun terlupakan, sejak 1974, informasi tentang keberadaan struktur tabung mikron yang terbuat dari karbon mulai beredar di surat kabar. Jadi, sekelompok ilmuwan Jepang (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) selama penelitian tahun 1974-1975. mempresentasikan kepada masyarakat umum hasil sejumlah penelitian mereka, yang berisi deskripsi tabung tipis dengan diameter kurang dari 100 , yang diperoleh dari uap selama kondensasi. Juga, pembentukan struktur berongga dengan deskripsi struktur dan mekanisme pembentukan yang diperoleh dalam studi sifat-sifat karbon dijelaskan oleh para ilmuwan Soviet dari Institut Katalisis Cabang Siberia dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet pada tahun 1977.

(Agström) - satuan pengukuran jarak, sama dengan 10−10 m Dalam sistem SI, satuan yang mendekati nilai angstrom adalah nanometer (1 nm = 10 ).

Fullerene adalah molekul bola berongga yang berbentuk seperti bola atau bola rugby.

Fullerene adalah modifikasi karbon keempat, yang sebelumnya tidak diketahui, ditemukan oleh ahli kimia dan astrofisika Inggris Harold Kroto.

Dan hanya setelah menggunakan peralatan terbaru dalam penelitian ilmiah mereka, yang memungkinkan mereka untuk memeriksa secara rinci dan bersinar melalui struktur karbon nanotube, ilmuwan Jepang Sumio Iijima melakukan penelitian serius pertama pada tahun 1991, sebagai hasilnya nanotube karbon secara eksperimental diperoleh dan dipelajari secara mendetail.

Dalam penelitiannya, Profesor Ijima mengekspos grafit tergagap ke pelepasan busur listrik untuk mendapatkan prototipe. Prototipe diukur dengan hati-hati. Dimensinya menunjukkan bahwa diameter filamen (karkas) tidak melebihi beberapa nanometer, dengan panjang satu hingga beberapa mikron. Mempelajari struktur nanotube karbon, para ilmuwan menemukan bahwa objek yang diteliti dapat memiliki dari satu hingga beberapa lapisan, yang terdiri dari kisi heksagonal grafit berdasarkan segi enam. Dalam hal ini, ujung nanotube secara struktural menyerupai setengah dari molekul fullerene yang dipotong menjadi dua.

Pada saat penelitian di atas, sudah ada karya-karya ilmuwan terkenal di bidangnya seperti Jones, L.A. Chernozatonsky, M.Yu. Kornilov, memprediksi kemungkinan pembentukan bentuk karbon alotropik ini, menjelaskan struktur, fisik, kimia, dan sifat lainnya.

Struktur multilayer dari nanotube tidak lebih dari beberapa nanotubules single-layer, "berpakaian" satu per satu sesuai dengan prinsip boneka bersarang Rusia

Sifat elektrofisika

Sifat elektrofisika karbon nanotube berada di bawah pengawasan ketat oleh komunitas ilmiah di seluruh dunia. Dengan merancang nanotube dalam rasio geometris tertentu, dimungkinkan untuk memberi mereka sifat konduktif atau semikonduktor. Misalnya, intan dan grafit keduanya karbon, tetapi karena perbedaan struktur molekul, mereka memiliki sifat yang berbeda dan dalam beberapa kasus berlawanan. Tabung nano semacam itu disebut logam atau semikonduktor.

Tabung nano yang menghantarkan listrik bahkan pada suhu nol mutlak adalah logam. Konduktivitas nol dari arus listrik pada nol mutlak, yang meningkat dengan meningkatnya suhu, menunjukkan ciri khas struktur nano semikonduktor.

Klasifikasi utama didistribusikan sesuai dengan metode melipat bidang grafit. Metode pelipatan ditunjukkan oleh dua angka: "m" dan "n", yang mengatur arah pelipatan di sepanjang vektor kisi grafit. Sifat-sifat nanotube bergantung pada geometri lipatan bidang grafit, misalnya, sudut puntir secara langsung mempengaruhi sifat elektrofisikanya.

Tergantung pada parameter (n, m), nanotube dapat berupa: lurus (achiral), bergerigi ("kursi"), zigzag dan heliks (kiral). Untuk perhitungan dan perencanaan daya hantar listrik, digunakan rumus perbandingan parameter: (n-m) / 3.

Bilangan bulat yang diperoleh dalam perhitungan menunjukkan konduktivitas dari jenis nanotube logam, dan angka pecahan menunjukkan jenis semikonduktor. Misalnya, semua tabung jenis "kursi" adalah logam. Tabung nano karbon dari jenis logam menghantarkan arus listrik pada nol mutlak. Nanotubulen dari jenis semikonduktor memiliki konduktivitas nol pada nol mutlak, yang meningkat dengan meningkatnya suhu.

Tabung nano dengan jenis konduktivitas logam kira-kira dapat mentransmisikan satu miliar ampere per sentimeter persegi. Tembaga, menjadi salah satu konduktor logam terbaik, lebih rendah dari nanotube dalam indikator ini lebih dari seribu kali. Ketika batas konduktivitas terlampaui, terjadi pemanasan, yang disertai dengan pelelehan material dan penghancuran kisi molekuler. Ini tidak terjadi dengan nanotubulenes dalam kondisi yang sama. Ini karena konduktivitas termalnya yang sangat tinggi, yaitu dua kali lipat dari berlian.

Dalam hal kekuatan, nanotubulene juga meninggalkan bahan lain jauh di belakang. Ini 5-10 kali lebih kuat dari paduan baja terkuat (1,28-1,8 TPa dalam modulus Young) dan memiliki elastisitas 100 ribu kali lebih tinggi dari karet. Jika kita membandingkan indikator kekuatan tarik, maka indikator tersebut melebihi karakteristik kekuatan serupa dari baja berkualitas tinggi sebanyak 20–22 kali!

Bagaimana cara mendapatkan UN

Nanotube diperoleh dengan metode suhu tinggi dan suhu rendah.

Metode suhu tinggi termasuk ablasi laser, teknologi surya atau pelepasan busur listrik. Metode suhu rendah telah memasukkan deposisi uap kimia menggunakan dekomposisi hidrokarbon katalitik, pertumbuhan katalitik fase gas dari karbon monoksida, produksi dengan elektrolisis, perlakuan panas polimer, pirolisis suhu rendah lokal atau katalisis lokal. Semua metode sulit untuk dipahami, berteknologi tinggi dan sangat mahal. Produksi nanotube hanya dapat dilakukan oleh perusahaan besar dengan basis ilmiah yang kuat.

Secara sederhana, proses memperoleh nanotube dari karbon dengan metode busur adalah sebagai berikut:

Plasma dalam keadaan gas dimasukkan ke dalam reaktor yang dipanaskan sampai suhu tertentu dengan sirkuit tertutup melalui peralatan injeksi. Di dalam reaktor, di bagian atas dan bawah dipasang kumparan magnet, salah satunya adalah anoda dan yang lainnya katoda. Kumparan magnet disuplai dengan arus listrik konstan. Plasma dalam reaktor dipengaruhi oleh busur listrik, yang juga diputar oleh medan magnet. Di bawah aksi busur elektroplasma suhu tinggi dari permukaan anoda, yang terdiri dari bahan yang mengandung karbon (grafit), karbon menguap atau "terlepas" dan mengembun pada katoda dalam bentuk nanotube karbon yang terkandung dalam mengendapkan. Agar atom karbon dapat mengembun di katoda, suhu di dalam reaktor diturunkan. Bahkan deskripsi singkat dari teknologi ini memungkinkan untuk menilai kompleksitas dan biaya untuk mendapatkan nanotubulenes. Ini akan memakan waktu lama sebelum proses produksi dan aplikasi tersedia untuk sebagian besar perusahaan.

Galeri foto: Skema dan peralatan untuk mendapatkan nanotube dari karbon

Instalasi untuk sintesis nanotube karbon berdinding tunggal dengan metode busur listrik Instalasi ilmiah daya kecil untuk mendapatkan struktur nano berbentuk tabung
Metode produksi suhu rendah

Instalasi untuk produksi nanotube karbon panjang

Apakah mereka beracun?

Pasti ya.

Dalam proses penelitian laboratorium, para ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa karbon nanotube berdampak buruk pada organisme hidup. Ini, pada gilirannya, menegaskan toksisitas nanotube, dan semakin tidak perlu bagi para ilmuwan untuk meragukan masalah penting ini.

Penelitian telah menunjukkan bahwa interaksi langsung nanotube karbon dengan sel-sel hidup menyebabkan kematian mereka. Terutama nanotube berdinding tunggal memiliki aktivitas antimikroba yang kuat. Eksperimen para ilmuwan mulai dilakukan pada kultur umum kerajaan bakteri (E. coli) E-Coli. Dalam proses penelitian, digunakan nanotube single-layer dengan diameter 0,75 hingga 1,2 nanometer. Seperti yang telah ditunjukkan oleh eksperimen, sebagai akibat dari dampak nanotube karbon pada sel hidup, dinding sel (membran) rusak secara mekanis.

Tabung nano yang diperoleh dengan metode lain mengandung sejumlah besar logam dan kotoran beracun lainnya. Banyak ilmuwan berasumsi bahwa toksisitas karbon nanotube tidak tergantung pada morfologinya, tetapi berhubungan langsung dengan pengotor yang terkandung di dalamnya (nanotube). Namun, pekerjaan yang dilakukan oleh para ilmuwan dari Yale di bidang penelitian tabung nano telah menunjukkan representasi yang salah dari banyak komunitas. Dengan demikian, bakteri Escherichia coli (E-Coli) dalam proses penelitian diberi perlakuan dengan nanotube karbon berdinding tunggal selama satu jam. Akibatnya, sebagian besar E-Coli mati. Studi di bidang nanomaterial ini telah mengkonfirmasi toksisitas dan dampak negatifnya pada organisme hidup.

Para ilmuwan telah sampai pada kesimpulan bahwa nanotube berdinding tunggal adalah yang paling berbahaya, hal ini disebabkan oleh rasio proporsional panjang nanotube karbon dengan diameternya.

Berbagai penelitian tentang efek nanotube karbon pada tubuh manusia telah membawa para ilmuwan pada kesimpulan bahwa efeknya identik, seperti halnya serat asbes yang masuk ke dalam tubuh. Tingkat dampak negatif serat asbes secara langsung tergantung pada ukurannya: semakin kecil, semakin kuat dampak negatifnya. Dan dalam kasus nanotube karbon, tidak ada keraguan tentang efek negatifnya pada tubuh. Memasuki tubuh dengan udara, nanotube mengendap melalui pleura di dada, sehingga menyebabkan komplikasi serius, khususnya tumor kanker. Jika penetrasi nanotubulen ke dalam tubuh terjadi melalui makanan, mereka menetap di dinding lambung dan usus, menyebabkan berbagai penyakit dan komplikasi.

Saat ini, para ilmuwan sedang melakukan penelitian tentang kompatibilitas biologis bahan nano dan mencari teknologi baru untuk produksi karbon nanotube yang aman.

prospek

Karbon nanotube menempati berbagai aplikasi. Hal ini disebabkan fakta bahwa mereka memiliki struktur molekul dalam bentuk kerangka, sehingga memungkinkan mereka untuk memiliki sifat yang berbeda dari berlian atau grafit. Justru karena fitur khas mereka (kekuatan, konduktivitas, lentur) nanotube karbon digunakan lebih sering daripada bahan lain.

Penemuan karbon ini digunakan dalam elektronik, optik, teknik mesin, dll. Karbon nanotube digunakan sebagai aditif untuk berbagai polimer dan komposit untuk meningkatkan kekuatan senyawa molekul. Bagaimanapun, semua orang tahu bahwa kisi molekul senyawa karbon memiliki kekuatan yang luar biasa, terutama dalam bentuknya yang murni.

Karbon nanotube juga digunakan dalam produksi kapasitor dan berbagai jenis sensor, anoda, yang diperlukan untuk pembuatan baterai, sebagai penyerap gelombang elektromagnetik. Senyawa karbon ini telah menemukan aplikasi luas di bidang manufaktur jaringan telekomunikasi dan layar kristal cair. Juga, nanotube digunakan sebagai penguat sifat katalitik dalam produksi perangkat pencahayaan.

Aplikasi Komersial

Pasar	Aplikasi	Sifat komposisi berdasarkan karbon nanotube
mobil	Bagian sistem bahan bakar dan saluran bahan bakar (konektor, bagian pompa, o-ring, tabung), bagian tubuh eksternal untuk pengecatan listrik (bumper, rumah kaca, tutup tangki bahan bakar)	Peningkatan keseimbangan sifat dibandingkan dengan karbon hitam, daur ulang untuk sebagian besar, ketahanan terhadap deformasi
Elektronik	Alat dan peralatan teknologi, kaset wafer, ban berjalan, backplanes, peralatan kamar bersih	Peningkatan kemurnian campuran dibandingkan dengan serat karbon, kontrol resistivitas permukaan, kemampuan kerja untuk pengecoran bagian tipis, ketahanan terhadap deformasi, keseimbangan sifat, kemungkinan alternatif campuran plastik dibandingkan dengan serat karbon

Karbon nanotube tidak terbatas pada area aplikasi tertentu di berbagai industri. Materi tersebut ditemukan relatif baru, dan, dalam hal ini, saat ini banyak digunakan dalam pengembangan dan penelitian ilmiah di banyak negara di dunia. Ini diperlukan untuk studi yang lebih rinci tentang sifat dan karakteristik karbon nanotube, serta untuk pembentukan produksi material skala besar, karena saat ini menempati posisi yang agak lemah di pasar.

Karbon nanotube digunakan untuk mendinginkan mikroprosesor.

Karena sifat konduktifnya yang baik, penggunaan nanotube karbon dalam teknik mesin menempati jangkauan yang luas. Material ini digunakan sebagai alat untuk mendinginkan agregat yang berdimensi masif. Hal ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa nanotube karbon memiliki konduktivitas termal spesifik yang tinggi.

Penggunaan nanotube dalam perkembangan teknologi komputer memegang peranan penting dalam industri elektronika. Berkat penggunaan bahan ini, produksi telah ditetapkan untuk pembuatan tampilan yang cukup datar. Ini berkontribusi pada produksi peralatan komputer yang ringkas, tetapi pada saat yang sama, karakteristik teknis komputer elektronik tidak hilang, tetapi bahkan meningkat. Penggunaan nanotube karbon dalam pengembangan teknologi komputer dan industri elektronik akan memungkinkan untuk mencapai produksi peralatan yang akan berkali-kali lebih unggul dalam hal karakteristik teknis untuk analog saat ini. Berdasarkan studi ini, kineskop tegangan tinggi sedang dibuat.

Prosesor nanotube karbon pertama

Masalah penggunaan

Salah satu masalah penggunaan nanotube adalah dampak negatif pada organisme hidup, yang meragukan penggunaan bahan ini dalam pengobatan. Beberapa ahli menyarankan bahwa mungkin ada risiko yang tidak dihargai dalam proses produksi massal nanotube karbon. Artinya, sebagai hasil dari perluasan ruang lingkup nanotube, akan ada kebutuhan untuk produksinya dalam skala besar dan, karenanya, akan ada ancaman terhadap lingkungan.

Para ilmuwan mengusulkan untuk mencari cara untuk memecahkan masalah ini dalam penerapan metode dan metode yang lebih ramah lingkungan untuk produksi karbon nanotube. Juga disarankan agar produsen bahan ini mengambil pendekatan serius terhadap masalah "membersihkan" konsekuensi dari proses CVD, yang, pada gilirannya, dapat mempengaruhi peningkatan biaya produk.

Foto dampak negatif nanotube pada sel a) sel Escherichia coli sebelum terpapar nanotube; b) sel setelah terpapar nanotube

Di dunia modern, nanotube karbon memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pengembangan teknologi inovatif. Para ahli memberikan perkiraan untuk peningkatan produksi nanotube di tahun-tahun mendatang dan penurunan harga untuk produk ini. Ini, pada gilirannya, akan memperluas cakupan nanotube dan meningkatkan permintaan konsumen di pasar.

Tabung nano karbon adalah bahan yang diimpikan oleh banyak ilmuwan. Faktor kekuatan tinggi, konduktivitas termal dan listrik yang sangat baik, ketahanan api dan koefisien berat adalah urutan besarnya lebih tinggi dari bahan yang paling dikenal. Karbon nanotube adalah lembaran graphene yang digulung menjadi tabung. Ilmuwan Rusia Konstantin Novoselov dan Andrey Geim menerima Hadiah Nobel pada 2010 untuk penemuannya.

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan Soviet dapat mengamati tabung karbon di permukaan katalis besi pada tahun 1952. Namun, butuh lima puluh tahun bagi para ilmuwan untuk melihat nanotube sebagai bahan yang menjanjikan dan berguna. Salah satu sifat mencolok dari nanotube ini adalah bahwa sifat mereka ditentukan oleh geometri. Jadi sifat listriknya bergantung pada sudut puntir - nanotube dapat menunjukkan konduktivitas semikonduktor dan logam.

Apa itu

Banyak bidang yang menjanjikan dalam nanoteknologi saat ini terkait dengan nanotube karbon. Sederhananya, nanotube karbon adalah molekul raksasa atau struktur kerangka yang hanya terdiri dari atom karbon. Sangat mudah untuk membayangkan tabung nano seperti itu jika kita membayangkan bahwa graphene sedang digulung menjadi tabung - ini adalah salah satu lapisan molekul grafit. Metode lipat nanotube sangat menentukan sifat akhir dari bahan yang diberikan.

Secara alami, tidak ada yang membuat nanotube dengan menggulungnya secara khusus dari selembar grafit. Nanotube terbentuk sendiri, misalnya, pada permukaan elektroda karbon atau di antara mereka selama pelepasan busur. Atom karbon selama pelepasan menguap dari permukaan dan bergabung satu sama lain. Akibatnya, nanotube dari berbagai jenis terbentuk - multilayer, single-layer, dan dengan sudut putaran yang berbeda.

Klasifikasi utama nanotube didasarkan pada jumlah lapisan penyusunnya:

• Tabung nano berdinding tunggal adalah jenis tabung nano yang paling sederhana. Kebanyakan dari mereka memiliki diameter orde 1 nm dengan panjang yang bisa ribuan kali lebih panjang;
• nanotube multilayer, terdiri dari beberapa lapisan graphene, mereka lipat menjadi bentuk tabung. Jarak 0,34 nm terbentuk antara lapisan, yaitu identik dengan jarak antara lapisan dalam kristal grafit.

Perangkat

Tabung nano adalah struktur silinder karbon yang diperpanjang, yang panjangnya bisa mencapai beberapa sentimeter dan diameternya dari satu hingga beberapa puluh nanometer. Pada saat yang sama, saat ini ada teknologi yang memungkinkan mereka dijalin menjadi benang dengan panjang tak terbatas. Mereka mungkin terdiri dari satu atau lebih bidang graphene yang digulung menjadi tabung, yang biasanya berakhir di kepala hemispherical.

Diameter nanotube adalah beberapa nanometer, yaitu beberapa permiliar meter. Dinding nanotube karbon terbuat dari segi enam dengan atom karbon di puncaknya. Tabung dapat memiliki jenis struktur yang berbeda, dialah yang memengaruhi sifat mekanik, elektronik, dan kimianya. Tabung satu lapis memiliki lebih sedikit cacat; pada saat yang sama, setelah anil pada suhu tinggi dalam atmosfer inert, tabung bebas cacat juga dapat diperoleh. Tabung nano berdinding banyak berbeda dari tabung nano berdinding tunggal standar dalam berbagai konfigurasi dan bentuk yang jauh lebih luas.

Karbon nanotube dapat disintesis dengan banyak cara, tetapi yang paling umum adalah:

• pelepasan busur. Metode ini memastikan produksi nanotube pada instalasi teknologi untuk produksi fullerene dalam plasma pelepasan busur, yang terbakar dalam atmosfer helium. Tetapi mode lengkung lain digunakan di sini: tekanan helium lebih tinggi dan kerapatan arus rendah, serta katoda berdiameter lebih besar. Deposit katoda mengandung nanotube hingga 40 m panjangnya; mereka tumbuh tegak lurus dari katoda dan bergabung menjadi bundel silinder.
• Metode ablasi laser . Metode ini didasarkan pada penguapan target grafit dalam reaktor suhu tinggi khusus. Nanotube terbentuk pada permukaan reaktor yang didinginkan dalam bentuk kondensat evaporasi grafit. Metode ini memungkinkan sebagian besar untuk mendapatkan nanotube berdinding tunggal dengan diameter yang diperlukan dikendalikan melalui suhu. Tetapi metode ini jauh lebih mahal daripada yang lain.
• Deposisi uap kimia . Metode ini melibatkan pembuatan substrat dengan lapisan katalis, yang dapat berupa partikel besi, kobalt, nikel, atau kombinasinya. Diameter nanotube tumbuh dengan cara ini akan tergantung pada ukuran partikel yang digunakan. Substrat memanas hingga 700 derajat. Untuk memulai pertumbuhan nanotube, gas yang mengandung karbon dan gas proses (hidrogen, nitrogen, atau amonia) dimasukkan ke dalam reaktor. Nanotube tumbuh di situs katalis logam.

Aplikasi dan Fitur

• Aplikasi dalam fotonik dan optik . Dengan memilih diameter nanotube, seseorang dapat memberikan penyerapan optik dalam rentang spektral yang besar. Karbon nanotube berdinding tunggal menunjukkan non-linier yang kuat dari penyerapan jenuh, yaitu mereka menjadi transparan pada cahaya yang cukup intens. Oleh karena itu, mereka dapat digunakan untuk berbagai aplikasi di bidang fotonik, misalnya, di router dan sakelar, untuk membuat pulsa laser ultrashort dan meregenerasi sinyal optik.
• Aplikasi dalam elektronik . Saat ini, banyak cara untuk menggunakan nanotube dalam elektronik telah diumumkan, tetapi hanya sebagian kecil yang dapat diimplementasikan. Yang paling menarik adalah penggunaan nanotube dalam konduktor transparan sebagai bahan antarmuka tahan panas.

Relevansi upaya untuk memperkenalkan nanotube dalam elektronik disebabkan oleh kebutuhan untuk mengganti indium dalam heat sink, yang digunakan dalam transistor daya tinggi, prosesor grafis dan prosesor pusat, karena stok bahan ini menurun, dan harganya meningkat. .

• Pembuatan sensor . Tabung nano karbon untuk sensor adalah salah satu solusi paling menarik. Film ultra tipis yang terbuat dari nanotube berdinding tunggal saat ini dapat menjadi dasar terbaik untuk sensor elektronik. Mereka dapat diproduksi menggunakan metode yang berbeda.
• Pembuatan biochip, biosensor , kontrol pengiriman dan aksi obat yang ditargetkan dalam industri bioteknologi. Pekerjaan ke arah ini saat ini sedang dilakukan dengan kekuatan dan utama. Analisis throughput tinggi yang dilakukan menggunakan nanoteknologi akan secara signifikan mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk membawa teknologi ke pasar.
• Hari ini berkembang pesat produksi nanokomposit , sebagian besar polimer. Ketika bahkan sejumlah kecil nanotube karbon dimasukkan ke dalamnya, perubahan signifikan dalam sifat-sifat polimer disediakan. Jadi mereka meningkatkan ketahanan termal dan kimia, konduktivitas termal, konduktivitas listrik, meningkatkan karakteristik mekanik. Lusinan bahan telah diperbaiki dengan menambahkan nanotube karbon ke dalamnya;

Serat komposit berdasarkan polimer dengan nanotube;
komposit keramik dengan aditif. Ketahanan retak keramik meningkat, perlindungan radiasi elektromagnetik muncul, konduktivitas listrik dan termal meningkat;
beton dengan nanotube - grade, kekuatan, ketahanan retak meningkat, susut berkurang;
komposit logam. Terutama komposit tembaga, yang sifat mekaniknya beberapa kali lebih tinggi daripada tembaga biasa;
komposit hibrida, yang mengandung tiga komponen sekaligus: serat anorganik atau polimer (kain), pengikat, dan nanotube.

Keuntungan dan kerugian

Di antara keuntungan dari nanotube karbon adalah:

• Banyak sifat unik dan benar-benar berguna yang dapat diterapkan di bidang solusi efisiensi energi, fotonik, elektronik, dan aplikasi lainnya.
• Ini adalah nanomaterial yang memiliki faktor kekuatan tinggi, konduktivitas termal dan listrik yang sangat baik, dan tahan api.
• Meningkatkan sifat bahan lain dengan memasukkan sejumlah kecil karbon nanotube ke dalamnya.
• Tabung nano karbon terbuka menunjukkan efek kapiler, yang berarti mereka dapat menarik logam cair dan cairan lainnya;
• Nanotube menggabungkan sifat-sifat padat dan molekul, yang membuka prospek yang signifikan.

Di antara kelemahan nanotube karbon adalah:

• Karbon nanotube saat ini tidak diproduksi dalam skala industri, sehingga penggunaan komersialnya terbatas.
• Biaya produksi nanotube karbon tinggi, yang juga membatasi aplikasinya. Namun, para ilmuwan bekerja keras untuk mengurangi biaya produksi mereka.
• Kebutuhan untuk meningkatkan teknologi produksi untuk membuat nanotube karbon dengan sifat yang ditentukan secara tepat.

prospek

Dalam waktu dekat, nanotube karbon akan digunakan di mana-mana, mereka akan digunakan untuk membuat:

• Nanobalances, material komposit, benang tugas berat.
• Sel bahan bakar, permukaan konduktif transparan, kawat nano, transistor.
• Perkembangan neurokomputer terbaru.
• Layar, LED.
• Perangkat untuk penyimpanan logam dan gas, kapsul untuk molekul aktif, nanopipet.
• Robot nano medis untuk pengiriman dan operasi obat.
• Sensor miniatur dengan sensitivitas ultra-tinggi. Nanosensor tersebut dapat menemukan aplikasi dalam aplikasi bioteknologi, medis dan militer.
• Kabel untuk lift luar angkasa.
• Loudspeaker transparan datar.
• otot buatan. Di masa depan, cyborg, robot akan muncul, orang cacat akan kembali ke kehidupan penuh.
• Mesin dan pembangkit listrik.
• Pakaian cerdas, ringan dan nyaman yang akan melindungi dari segala kesulitan.
• Superkapasitor aman dengan pengisian cepat.

Semua ini di masa depan, karena teknologi industri untuk pembuatan dan penggunaan karbon nanotube berada pada tahap awal pengembangan, dan harganya sangat mahal. Tetapi para ilmuwan Rusia telah mengumumkan bahwa mereka telah menemukan cara untuk mengurangi biaya pembuatan bahan ini hingga dua ratus kali lipat. Teknologi unik untuk memproduksi nanotube karbon ini saat ini dirahasiakan, tetapi teknologi ini akan merevolusi industri dan banyak bidang lainnya.

Struktur dan klasifikasi nanotube

nanotube karbon

nanotube karbon(karbon nanotube, CNT) - senyawa molekul yang termasuk dalam kelas modifikasi alotropik karbon. Mereka adalah struktur silinder yang diperluas dengan diameter satu hingga beberapa puluh nanometer dan panjang satu hingga beberapa mikron.

Gambar 8. Tabung nano karbon

Nanotube terdiri dari satu atau lebih lapisan yang digulung menjadi tabung, yang masing-masing mewakili jaringan heksagonal grafit (graphene), yang didasarkan pada segi enam dengan atom karbon yang terletak di simpul sudut. Dalam semua kasus, jarak antara lapisan adalah 0,34 nm, yaitu, sama seperti antara lapisan dalam grafit kristal.

Ujung atas tabung ditutup dengan tutup hemispherical, yang setiap lapisannya terdiri dari segi enam dan segi lima, menyerupai struktur setengah molekul fullerene.

Diyakini bahwa penemu nanotube karbon adalah karyawan perusahaan Jepang NEC Sumio Iijima, yang pada tahun 1991 mengamati struktur nanotube multilayer ketika mempelajari endapan di bawah mikroskop elektron, yang terbentuk selama sintesis bentuk molekul karbon murni yang memiliki sebuah struktur seluler.

Tabung nano yang ideal adalah bidang grafit yang digulung menjadi silinder, mis. permukaan dilapisi dengan segi enam biasa, di simpul yang atom karbon.

Parameter yang menunjukkan koordinat segi enam, yang, sebagai hasil dari pelipatan bidang, harus bertepatan dengan segi enam yang terletak di titik asal koordinat, disebut kiralitas tabung nano. Kiralitas nanotube menentukan karakteristik listriknya.

Pengamatan mikroskop elektron telah menunjukkan bahwa kebanyakan nanotube terdiri dari beberapa lapisan grafit, baik bersarang satu di dalam yang lain atau luka di sekitar sumbu umum.

nanotube berdinding tunggal(nanotube berdinding tunggal, SWNTs) - jenis nanotube paling sederhana. Kebanyakan dari mereka memiliki diameter sekitar 1 nm dengan panjang yang bisa ribuan kali lebih panjang.

Gambar 9. Model nanotube berdinding tunggal.

Tabung seperti itu berakhir dengan simpul hemispherical yang mengandung, bersama dengan segi enam biasa, juga enam segilima biasa.

Struktur nanotube berdinding tunggal yang diamati secara eksperimental berbeda dalam banyak hal dari gambar ideal yang disajikan di atas. Pertama-tama, ini menyangkut bagian atas tabung nano, yang bentuknya, sebagai berikut dari pengamatan, jauh dari belahan bumi yang ideal.

Gambar 10. Model penampang nanotube berdinding banyak

Nanotube multilayer berbeda dari nanotube single-layer dalam berbagai bentuk dan konfigurasi yang jauh lebih luas, baik dalam arah memanjang dan melintang. Varietas yang mungkin dari struktur transversal nanotube multilayer ditunjukkan pada Gambar 10.

Struktur boneka Rusia adalah kumpulan nanotube lapisan tunggal yang bersarang secara koaksial ( Gambar 10a). Yang terakhir dari struktur di atas (Gambar 10 b) menyerupai gulungan. Untuk struktur yang diberikan, jarak antara lapisan grafit yang berdekatan mendekati 0,34 nm, yaitu. jarak antara bidang grafit kristal yang berdekatan. Realisasi satu struktur atau lainnya dalam situasi eksperimental tertentu tergantung pada kondisi sintesis nanotube. 2.2 Mendapatkan nanotube karbon

Metode yang paling umum untuk sintesis nanotube adalah metode busur listrik, ablasi laser, dan deposisi uap kimia (CVD).

Pelepasan busur - inti dari metode ini terletak pada produksi karbon nanotube dalam plasma pelepasan busur yang terbakar dalam atmosfer helium di instalasi teknologi untuk produksi fullerene. Namun, mode lengkung lain digunakan di sini: kerapatan arus rendah dari pelepasan busur, tekanan helium lebih tinggi (~ 500 Torr), katoda berdiameter lebih besar. Untuk mendapatkan jumlah maksimum nanotube, arus busur harus 65-75 A, tegangan - 20-22 V, suhu plasma elektron - sekitar 4000 K. Dalam kondisi ini, anoda grafit menguap secara intensif, memasok atom atau pasangan individu atom karbon, yang pada katoda atau pada dinding ruang berpendingin air dan karbon nanotube terbentuk.

Untuk meningkatkan hasil nanotube dalam produk sputtering, katalis (campuran logam golongan besi) dimasukkan ke dalam batang grafit, tekanan gas inert dan mode sputtering diubah.

Kandungan nanotube pada deposit katoda mencapai 60%. Nanotube yang dihasilkan dengan panjang hingga 40 m tumbuh dari katoda tegak lurus ke permukaannya dan bergabung menjadi balok silinder dengan diameter sekitar 50 nm.

Skema tipikal instalasi busur listrik untuk pembuatan material yang mengandung nanotube dan fullerene, serta formasi karbon lainnya, ditunjukkan pada Gambar 11.

Gambar 11. Skema instalasi untuk mendapatkan nanotube dengan metode busur listrik.

Metode ablasi laser ditemukan oleh Richard Smalley dan Rice University dan didasarkan pada penguapan target grafit dalam reaktor suhu tinggi. Tabung nano muncul di permukaan reaktor yang didinginkan sebagai kondensat penguapan grafit. Permukaan berpendingin air dapat dimasukkan dalam sistem pengumpulan nanotube. Hasil produk dalam metode ini adalah sekitar 70%. Dengan bantuannya, diperoleh nanotube karbon berdinding tunggal dengan diameter yang dikendalikan oleh suhu reaksi. Namun, biaya metode ini jauh lebih mahal daripada yang lain.

Deposisi uap kimia (CVD) - metode deposisi uap karbon katalitik ditemukan kembali pada tahun 1959, tetapi sampai tahun 1993 tidak ada yang berasumsi bahwa nanotube dapat diperoleh dalam proses ini.

Gambar 12. Skema instalasi untuk mendapatkan nanotube dengan deposisi kimia.

Bubuk logam yang terdispersi halus (paling sering nikel, kobalt, besi, atau kombinasinya) digunakan sebagai katalis, yang dituangkan ke dalam wadah keramik yang terletak di tabung kuarsa. Yang terakhir, pada gilirannya, ditempatkan di perangkat pemanas yang memungkinkan Anda untuk mempertahankan suhu yang terkontrol dalam kisaran 700 hingga 1000 °C. Campuran gas hidrokarbon dan gas penyangga dihembuskan melalui tabung kuarsa. Komposisi khas campuran C 2 H 2: N 2 dengan perbandingan 1:10. Prosesnya dapat berlangsung dari beberapa menit hingga beberapa jam. Filamen karbon panjang, nanotube multilayer hingga beberapa puluh mikrometer dengan diameter dalam 10 nm dan diameter luar 100 nm tumbuh di permukaan katalis. Diameter nanotube tumbuh dengan cara ini tergantung pada ukuran partikel logam.

Mekanisme ini adalah metode komersial yang paling umum untuk produksi nanotube karbon. Di antara metode lain untuk mendapatkan nanotube, CVD adalah yang paling menjanjikan pada skala industri karena rasio terbaik dalam hal harga satuan. Selain itu, memungkinkan untuk mendapatkan nanotube berorientasi vertikal pada substrat yang diinginkan tanpa pengumpulan tambahan, serta untuk mengontrol pertumbuhan mereka melalui katalis.

Prospek luas untuk penggunaan nanotube dalam ilmu material terbuka ketika kristal superkonduktor (misalnya, TaC) dienkapsulasi di dalam nanotube karbon. Kemungkinan mendapatkan kristal superkonduktor yang dikemas dalam nanotube memungkinkan untuk mengisolasi mereka dari efek berbahaya dari lingkungan eksternal, misalnya, dari oksidasi, sehingga membuka jalan untuk pengembangan nanoteknologi yang lebih efisien.

Kerentanan magnetik negatif yang besar dari nanotube menunjukkan sifat diamagnetiknya. Diasumsikan bahwa diamagnetisme nanotube disebabkan oleh aliran arus elektron di sepanjang kelilingnya. Nilai suseptibilitas magnetik tidak tergantung pada orientasi sampel, yang dikaitkan dengan strukturnya yang tidak teratur.

Banyak aplikasi teknologi nanotube didasarkan pada luas permukaan spesifiknya yang tinggi (dalam kasus nanotube satu lapis, sekitar 600 meter persegi per 1/g), yang membuka kemungkinan untuk menggunakannya sebagai bahan berpori dalam filter, dll. .

Bahan nanotube dapat berhasil digunakan sebagai substrat pembawa untuk katalisis heterogen, dan aktivitas katalitik nanotube terbuka secara signifikan melebihi parameter yang sesuai untuk nanotube tertutup.

Dimungkinkan untuk menggunakan nanotube dengan permukaan spesifik yang tinggi sebagai elektroda untuk kapasitor elektrolitik dengan daya spesifik yang tinggi. Karbon nanotube telah membuktikan diri dengan baik dalam eksperimen penggunaannya sebagai lapisan yang mendorong pembentukan film berlian.

Sifat nanotube seperti ukurannya yang kecil, yang sangat bervariasi tergantung pada kondisi sintesis, konduktivitas listrik, kekuatan mekanik, dan stabilitas kimia, memungkinkan untuk mempertimbangkan nanotube sebagai dasar untuk elemen mikroelektronika masa depan.

Nanotube dapat berfungsi sebagai dasar alat pengukur tertipis yang digunakan untuk mengontrol ketidakhomogenan permukaan sirkuit elektronik.

Aplikasi menarik dapat diperoleh dengan mengisi nanotube dengan berbagai bahan. Dalam hal ini, nanotube dapat digunakan baik sebagai pembawa material yang mengisinya, dan sebagai selubung isolasi yang melindungi material ini dari kontak listrik atau dari interaksi kimia dengan benda-benda di sekitarnya.