CNT General

8/8/2019 CNT General

1/11

NANOTUBURILE

~SOLUIA VIITORULUI N DOMENIILE TIINEI~

STRUCTURA I DEFECTELE UNUI NANOTUB DE

CARBON

PROPRIETILE SPECIALE ALE

NANOTUBURILOR DE CARBON

APLICAII ALE NANOTUBURILOR DE CARBON


2/11

STRUCTURA I DEFECTELE UNUI NANOTUB DECARBON

n 1991, japonezul Sumio Iijima,specialist n domeniul microscopiei electronice, adevenit descoperitorul nanotuburilor de carbon,obiecte de dimensiuni nanometrice.

Pentru a le fabrica el utiliza un cuptorspecial, cu atmosfer inert, n care se declana un arc

electric ntre doi electrozi din carbon pur. n urmaexperimentelor rezultau fulerene, dar si o serie dereziduuri, pe care le-a studiat la microscop.

Familia fulerenelor const din fulerene, nanotuburi de

carbon, nanocarboni onionici i alte nanoparticule de carbon avnddiferite forme.

Toate aceste nanoparticule pe baz de carbon suntcaracterizate de o structur proprie constituit din multe straturi destructuri grafitice. Aceste structuri grafitice sau structuri grafenicecum mai sunt numite, sunt alctuie din atomi de carbon formnd n

principal reele hexagonale. Curbarea structurilor grafenice esteadesea datorat inelelor carbonice pentagonale i heptagonale

prezentate ca un defect n structur.


3/11

Nanotub de carbon: fiecare billu este un atom decarbon legat covalent cu vecinii si. Aceasta este partea din stnga aunei singure molecule. Pentru descoperirea acestor molecule, RichardSmaley, de la Universitatea Rice din Statele Unite, a primit premiulNobel pentru chimie n 1996.

Astfel de molecule au un diametru de 5 nm i pot avealungimi de ordinul milimetrilor. Proprietile lor electrice i mecanicesunt excelente, n pofida dimensiunilor lor minuscule

Atomii sunt dispui hexagonal, precum un gard din/desrm, aceeai aran are ca n grafit. Oricum n grafit aceast srma segsete sub forma unor fii plate aran ate una deasupra celeilalte iar ncazul nanotubului foaia plat este ncreit sau ndoit pentru a forma untub.

Apare n acest mod deoarece atomii de carbon la muchia foiide grafit nu au suficienti atomi de carbon n vecinatate; prin formareatubului marginile dispar.

Rsucirea fiei de grafit depinde de modul de conectare amuchiilor i anume a celor de sus i de os sau a celor laterale(stnga - dreapta). Acelai lucru se ntmpl n natur iar nanotuburilerezultante au proprieti electrice diferite. De asemenea muchiile saumarginile se pot lipi direct sau prin deplasarea lor, formnd un tubelicoidal (aceste variaii se pot vedea i la o foaie de hrtie).


4/11

Existe multe structuri exotice de fulerene: sfere obinuite, conuri, tuburile i de asemenea mai multe forme(configuraii) complicate i necunoscute. Vom descrie mai departe cteva din structurile cele mai importante i

binecunoscute.

Nanotubul cu un singur perete ( SWNT) poate fi considerat ca fiind ofie lung grafitic nfurat. n general, raportul dintre lungimea i diametrulnanotuburilor este n jur de 1000 deci acestea pot fi considerate structuri aproapeunidimensionale.

Mai detaliat, SWNT const din dou regiuni separate cu proprietile fizicei chimice diferite. Prima este peretele lateral al tubului iar cea de a doua este capaculde nchidere al tubului.. Structura de capac de nchidere este asemntoare cu sau

provenit de la fulerena mic, de exemplu C60.

Cteva SWNT cu chiralitate diferit. iferena de structur este artat

cu uurin la capetele tuburilor deschise. Structura scaun b) structura dezigzag c) structur chiral

Atomii de carbon aranjai n structur hexagonal i pentagonal formeaz structura terminal cea de capac de inchidere.Aceasta se poate obine uor din Teorema Euler necesitnd 12 structuri de

pentagon pentru a se obine o structur n form de cuc nchis compusnumai din structuri pentagonale i hexagonale.

Combinaia unui pentagon nconjurat de cinci hexagoanerezult din curbura suprafeei pentru a nchide volumul. A doua reguleste regula pentagonului strilor izolate, unde distana dintre pentagoanei fia grafitic este maxim pentru a obine o curb local i o tensiunede suprafa minime, avnd drept rezultat structur mult mai stabil.


5/11

O alt proprietate este aceea c toate fulerenele sunt compuse cel puin dintr-un numr par de atomide C deoarece adugarea unei structuri hexagonale la structura existent nseamn un adaos de doi atomi decarbon.

O

alt structur a SWN

T este cea cilindric. Aceasta se formeaz atunci cnd o anumit dimensiunesau mrime din fia grafitic este nfurat ntr-o anumit direcie pentru a forma un cilindru nchis

Vectorul OA este numit vector chiral. Acestapoate fi definit prin vectorul Ch=na1+ma2, cu

axa n zigzag. Vectorii a , unghiul chiral 1 ia2 sunt numii vectori de reea

Toate structurile posibile ale nanotuburilor cu unsingur perete pot fi formate din vectori chiral

orizontali n ordinea dat de aceast figur. (n,m), n,m numere ntregi i m


6/11

Dup structurile ideale fr defecte, discutm despre posibile defecte dorite sau nedorite. Deformrile,ca de exemplu ndoiturile (ondulrile) i jonciunile de nanotub, sunt prezentate nlocuind un hexagon cu unheptagon sau un pentagon.

Deformrile pot s fie interioare sau exterioare i, printre altele, proprietile electrice sunt n modconsiderabil modificate de ctre aceste deformri. O alt clas a defectelor este cauzat (determinat) de impuritilecare sunt formate n timpul sau dup procesul de cretere a nanotuburilor; Compuii care pot s fie integrai nstructur sunt de exemplu particulele de catalizator.Nanotuburile cu mai muli perei ( MWNT) pot fi considerate ca o colecie de nanotuburi concentrice cu un singurperete cu diametrele diferite. Lungimea i diametrul acestor structuri difer foarte mult de cele cu un singur perete ibineneles proprietile lor sunt de asemenea foarte diferite

Diferite structuri de MWNT; Sus-stnga: seevideniaz seciunea transversal a MWNT cu diferii perei,separai cu 0. 34nm. Rotaia n jurul axei de simetrie ne dMWNT. Dreapta-sus: Capacul de inchidere simetric saunesimetric a Mwnt. Jos-stnga SWNT cu un diametru de 1,2nm i legtura Swnts acoperit cu carbon amorf. Jos-

dreapta: MWN

T cu defecte. n punctul P un defect de structurpentagonal si n punctul H un defect de structur heptagonal.


7/11

Introducerea de defecte poate de asemenea saib drept rezultat diverse structuri noi ca de exemplu

baele Y, braele T sau jonciunile SWNT. n anumitecondiii aceste defecte pot fi introduse ntr-un modcontrolat.

PROPRIETILE SPECIALE ALE NANOTUBURILOR DE CARBON

Reactivitate chimic.Reactivitatea chimic a unui CNT este, comparat cu o fie grafitic, mrit n urma curburii suprafeei CNT.Reactivitatea nanotubului de carbon este direct legat de dezechilibrul orbitalilor pi cauza de curbura n cretere.Aadar, trebuie fcut o disticie ntre peretele lateral al nanotubului i capetele acestuia. Din acelai motiv, unnanotub cu un diametru mic prezint o reactivitate crescut. S-a artat c sunt posibile mofificri chimicecovalente pentru fiecare perete lateral sau capt al nanotubului.. De exemplu, solubilitatea nanotuburilor cu unsingur perete CNT n diferii solveni poate fi controlat n acest mod. Aadar, cercetarea direct a modificrilorchimice asupra comportamentului nanotubului este dificil pentru c mostrele de nanotub brut nu sunt suficient

de pure. Conductibilitate electric.

Depinznd de vectorul lor chiral, nanotuburile de carbon cu un diametru mic sunt metalici sau semiconductori.Diferenele n proprietile de conducie sunt cauzate de structura lor molecular care are drept rezultat ostructur de legtur diferit i astfel un spaiu liber de legtur diferit. Diferenele n conductibilitate se potobine cu uurin din propritile fiei grafitice.S-a artat c nanotubul a (n,m) este metalic, dup urmtorul calcul: n=m sau n=m=3i, i fiind un numr ntreg iarn, m fiind definite de nanotub. Rezistena la conducie este determinat de aspectele mecanice cuantice i s-a

dovedit a fi independent de lungimea nanotubului.


8/11

Activitatea optic.Studiile teoretice au artat c activitatea optic a nanotuburilor chirale dispare dac nanotuburile devin

prea lungi. n consecin, este de ateptat c alte proprieti fizice sunt influenate de aceti parametri. Folosireaactivitii optic poat s aib drept rezultat dispozitive optice n care nanotuburile cu un singur perete CNT joacun rol important.

Fore mecanice.Nanotuburile de carbon au modulul lui Young foarte mare pe direcia lor axial. n general, nanotubul

este foarte flexibil datorit lungimii mari. n consecin, aceste componente pot fi corespunztoare pentru aplicaiilen materiale compozite care necesit proprieti anizotropice.n aceast parte sunt explicate pe scurt diferite tehnici de sintez a nanotuburilor i strile lor curente.. Mai nti,este explicat mecanismul de cretere. Oricum, pentru toate tehnicile diferite sunt stabilite condiii caracteristice.Interesul cel mai larg este n metodele cele mai noi pentru fiecare tehnic i n posibilitile de cretere.

Nanotuburile de carbon sunt n general create prin trei tehnici principale, i anume: descrcarea n arc,ablaia laser i prin depunerea chimic prin vapori. Cu toate acestea se cerceteaz mai mult drumuri economice

pentru a crea aceste structuri. n descrcarea prin arc, vaporii sunt creai ntre doi electrozi de carbon cu sau frcatalizator.

Nanotuburile se auto-asambleaz din vaporii de carbon rezultai. n tehnica ablaiei laser, o raz laserde mare intensitate ntlnete un volum de gaz ce conine carbon (metan sau monoxid de carbon).n acest moment, ablaia laser creeaz o cantitate mic de nanotuburi curate, pe cnd metoda descrcrii prin arc

produce n general cantiti mari de material impur. n general, CVD are drept rezultat Mwnt sau Swnt de calitatepur. Swnt create cu CVD aau un domeniu larg n cazul diametrului, fiind greu de controlat. Dar pe de alt parte,aceast metoda este foarte uoar n creterea produciei comerciale.


9/11

APLICAII ALE NANOTUBURILOR DE CARBON

CUITUL DIN NANOTUBURI DE CARBON

Cercettorii de la NIST i de laUniversitatea Colorado au proiectat un cuit dinnanotuburi din carbon

Echipa de cercettori au artat un cuit fcut la scar nanometric care ar putea deveni n viitor o unealtpentru biologie, permind oamenilor de tiin s studieze celulele mai precis dect o fac astzi.

De ani de zile cercettorii s-au chinuit cu cuite de diamant sau sticl, care taie mostre de celule ngheatesub un unghi mare, determinnd mostrele s se ndoaie i s se fisureze.

Deoarece nanotuburile de carbon sunt foarte dure i subiri n diametru, acestea ar fi materialul idealpentru tierea de felii subiri din celule.

Cercettorii ar putea folosi nanocuitul pentru a face imagini 3D a celulelor i esuturilor pentru

tomografia cu electroni, operaie ce necesit mostre mai subiri dect nanopensete, bile de rulment i oscilatorila scar nanometric.

Pentru a proiecta nanocuitul, cercettorii au sudat electrochimic un nanotub din carbon ntre doua aceascuite de tungsten.

Pentru a demonstra fezabilitatea nanocuitului, cercettorii l-au supus la teste mecanice, aplicndpresiuni mari asupra acestuia. Cercettorii au descoperit c locul unde fusese sudat cedeaz cel mai repede,iar acum ncerc alte tehnici de sudare.


10/11

NANOTUBURILE DIN CARBON PE POST DE INTRERUPATOR

Oamenii de stiinta de la ORNL, in urma unor cercetari au descoperit un sistemcu nanotuburi ce functioneaza ca un intrerupator de marimea unui atom.

Aceasta abordare este pentru efectuarea calculelor pentru pozitionarea uneimolcule in interiorul unui nanotub cu scopul de a afecta curentul electric ce trece

prin el. Rezultatul este un circuit-poarta la nivel molecular: Intr-o pozitie,circuitul este deschis, permitand trecerea curentului, in cealalta pozitie, circuituleste inchis, blocand curentul. Intr-un cip de siliciu, poarta este o bariera din oxidde siliciu integrata in structura cipului. La modelul ORNL, poarta este omolecula scurta incapsulata in nanotub avand marimea de un nanometru.

SPUMELE SUPER-COMPRESIBILE DIN NANOTUBURI DE CARBON

Cercettorii au descoperit de curnd c, pe lang rezisten ridicati greutate redus, nanotuburile de carbon sunt i deosebit de flexibile, acionndca arcurile super-compresibile. Studiul realizat de ctre o echipa de la InstitutulPolitehnic Rensselaer deschide drumul ctre materiale sub forma de spum, ce

pot asigura rezistena i flexibilitatea necesar n domenii precum aeronavele.

Pulickel Ajayan i Anyuan Cao, cei doi autori, au artat c fiile din nanotuburi

de carbon se comport ca un strat de arcuri de saltea, flexndu-se i revenind la

poziia iniiala sub aciunea unei fore.

Dar, spre deosebire de o saltea, care n timp i pierde elasticitatea, acest

material ipstreaz proprietile chiar i dup mii de cicluri de compresiune.


11/11

"Nanotuburile de carbon prezint o combinaie excepionala de rezisten, flexibilitate i densitateredus, proprieti ce le fac materiale ideale pentru structuri ce necesit duritate crescut i greutate redus", a afirmatPulickel Ajayan. n cazul spumelor industriale de pn acum, rezistena i flexibilitatea sunt dou proprieti opuse(crete una, scade cealalt), dar n cazul nanotuburilor de carbon acest lucru nu se aplic. Compuse din atomi decarbon aranjai asemntor rolelor de srm cu ochiuri, nanotuburile fac fat cu succes mediilor chimice extreme,

temperaturilor si umiditii ridicate.

CNT General

Documents

Transcript of CNT General