Јаглеродна наноцевка

Јаглеродните наноцевки се алотропи на јаглеродот. Наноцевка со еден ѕид подразбира наноцевка која е направена од слој на графит со дебелина од еден атом (графин), завиткан во цилиндар со пречник кој се мери во нанометри. Како резултат на ова е нано-структура, каде што односот на должина-пречник преминува преку 1 000 000. Овие цилиндрични јаглеродни молекули имаат благородни својства, што ги прави корисни во многу полиња на науката како нанотехнологијата, електрониката, оптиката и други полиња на науката за материјалите. Наноцевките имаат извондредна цврстина и електрични својства и се ефикасни спроводници на топлина.

Видови

Наноцевките се цилиндрични, каде барем еден крај е затворен со полухемисфера. Тие се дел од фамилијата на фулерени. Нивниот пречник е неколку нанометри (околу 1/50,000 од дебелината на човечко влакно), а можат да бидат долги и по неколку милиметри. Наноцевките можат да бидат со еден ѕид, или со повеќе ѕидови.

Природата на врските кај наноцевките може да се објасни со применетата квантна хемија, односно со орбиталната хибридизација. Хемиските врски во наноцевките се речиси целосно sp2 врски, слични на тие во графитот. Овој тип на врска е појака од онаа кај дијамантот (ѕр3 врски) и на оваа врска се должи големата јакост на овој материјал. Наноцевките по природа се редат во вид на „јажиња“ кои заедно ги спојуваат Ван дер Вааловите сили. Под висок притисок, наноцевките можат да се спојат едни со други, што овозможува да се создадат силни жици со неограничена должина.

Повеќето наноцевки со еден ѕид имаат пречник од речиси 1 нанометар, а должина речиси илјадници пати поголема. Нивната структура може да се замисли како слој на графит односно графин, завиткан во вид на цилиндар. Вака, слојот е опишан од пар показатели кои се викаат вектори на несиметрија(n,m). Природните броеви n и m го означуваат бројот на единечни вектори во 2 насоки на кристалната решетка која е во вид на саќе. Ако m = 0, тогаш нано-цевките се наречени „цик-цак“.

Јаглеродни наноцевки со еден ѕид

Наноцевките со еден ѕид се многу важен тип на наноцевки, бидејќи имаат одлични електрични својства за разлика од наноцевките со повеќе ѕидови. Наноцевките со еден ѕид се најверојатниот кандидат за материјал кој ќе ја однесе електромеханиката под микро скалата, која денес е стандардна. Најголемиот потенцијал лежи во заменувањето на жицата со една наноцевка, што би значело драстично намалување на големината на елементите во електрониката. Наноцевките со еден ѕид се сѐ уште многу скапи, ако се земе предвид дека во 2000 година за еден грам од овој материјал би требало да платите 1500$. Ако во иднина не се измислат нови техники за производство на овој материјал, производство на фабричко ниво би било ништо помалку од научна фантастика. Веќе од 2007 година, неколку набавувачи го нудат овој материјал за 50-100$ за еден грам.

Јаглеродни наноцевки со повеќе ѕидови

Наноцевките со повеќе ѕидови се состојат од повеќе слоеви на графит завиткани во форма на цевка. Постојат два модели кои можат да се искористат за да се објасни структурата на овој тип наноцевки. Руската кукла „Бабушка“ е добар пример, каде слоеви на графите се распоредени во концентрични цилиндри, каде еден цилиндар со полупречник од (0.8) е во поголем цилиндар од (1,0). Кај пергаментниот модел, слој на графит е завиткан околу себе, како ролна пергамент, каде што растојанието помеѓу слоевите е отприлика 330 пикометри,

Јаглеродна наноцевка со повеќе ѕидови

Јаглероден нано-торус

Нано-торус е теоритски замислена наноцевка, завиткана во торус. Овој торус би имал уникатни својства, како на пример магнетен диполен момент 1000 пати поголем од претходно претпоставениот. Својствата како магнетнот момент, топлинската стабилност варираат во зависност од полупречникот на торусот и полупречникот на цевката.

Јакост

Јаглеродните наноцевки се едни од најјаките и најкрутите материјали откриени до сега, во поглед на затегачката јакост и модулот на еластичност. Овие квалитети се резултат на ковалентните sp2 врски кои ги формираат поединечните јаглеродни атоми. Во 2000 година, наноцевка со повеќе ѕидови беше тестирана. На тестот била измерена затегачка јакост од 63 GP (гига паскали). Бидејќи наноцевките имаат многу мала густина за цврст материјал(1.3-1.4 g/cm3), нивната специфична јакост од 48,000 kN•m/kg е најголемата за било кој познат материјал. Како за споредба, високојаглеродните челици имаат специфична јакост од 154 kN•m/kg.

При прекумерна затегачка јакост, кај наноцевките се појавува пластична деформација. Но, наноцевките не се ни од блиску толку јаки при компресија. Поради нивната шуплива структура, тие се склони кон извивање кога се изложени на компресиона, свитлива и завртлива сила.

Добивање

Развиени се повеќе техники за добивање на наноцевки во позначителни количини, вклучувајќи ги лачно испразнување, ласерско топење итн. Повеќето од овие процеси со одвиваат во вакуум или во присуство на одредени гасови. Напредокот во овие процеси ги прави наноцевките по достапни и поевтини. Денес се прават напори да се открие кои биле катализаторите при добивањето на дамаскискиот челик, што би открил нов евтин начин за производство на наноцевки, откако неодамна беше откриено дека тие се дел од овој челик

Добивање со хемиски талог (CVD)

Добивање на јаглеродни наноцевки со CVD метод

За време на овој процес, се припрема супстрат со слој од метални катализатори, најчесто никел, кобалт, железо или комбинација од сите три. Металните нано-честички, односно нивната големина влијае на пречникот на наноцевките.

Супстратот се загрева на околу 700 С°. За да се поттикне синтезата на наноцевки, во реакторот се внесуваат два вида на гасови – гас за обработка(азот, водород) и гас кој содржи јаглерод( ацетилен, етил, етанол, метан). Наноцевките растат на местата каде што има метални катализатори; гасот кој содржи јаглерод се распаѓа на површината на катализаторската честичка, и јаглеродот се распоредува на рабовите на честичката, каде наноцевките се формираат.

CVD е често употребуван метод за индустриско производство на јаглеродните наноцевки. За оваа цел, металните нано-честички се додаваат во мали количина на катализатор(MgO, Al2O3) за да ја зголеми површината односно продуктивноста на катализаторската реакција на расположливите количини јаглерод со металните честички. Негативна страна на овој метод за добивање наноцевки е отстранувањето на катализаторот со киселина, која понекогаш ја менува структурата на наноцевките. Поради тоа, алтернативни катализатори кои се растворливи во вода се користат и го имаат сличниот ефект на поттикнување на раст на наноцевките.

Дефекти

Како кај секој материјал, присуството на несовршености влијае на својствата на материјалот. Неосвршеностите можат да бидат од типот на „атом-вакансија“. Ако е голем бројот на ваквите дефекти во материјалот, затегачката јакост може да се намали дури за 85%. Друг дефект кај наноцевките е „Стоун-Велс“ дефектот, при кој се создава пар на пентагон и хептагон при прераспоредувањто на врските. Поради малата структура на наноцевките, затегачката јакост е зависна од најслабиот дел како кај веригите, каде дефект кај еден прстен може да доведе до кинење на ланецот.

Електричните својства на наноцевките исто така може да се влошат при присуство на дефект. Често спроводливоста кај дефектниот регион е намалена. Некои дефекти кај наноцевките може да го направи дефектниот регион од спроводник во полуспроводник.Несовршеностите исто така силно влијаат на топлинските својства.

Примена на наноцевките

Јакоста и флексибилноста на јаглеродните наноцевки има голем потенцијал во нанотехнолошкото инженерество. Најголемата затегачка јакост измерена кај поединечна наноцевка е 63 GPa. Сноп од наноцевки никогаш не би можел да ја постигна таа вредност за затегачката јакост, но без разлика на тоа, такви композитни материјали би имале јакост доволна за многу широка употреба. Наноцевките веќе се користат како композитни влакна кај полимерите за да ги подобрат нивните механички, топлински и електрични својства на материјалот во чија градба тие се вклучени. Една студија од 2006 година, објавена во магазинот “Nature” открила дека јаглеродните наноцевки се присутни во челикот дамаскус, што би ја објаснило неверојатната цврстина на мечевите кои се направени од него. Поради одличните механички својства на јаглеродните наноцевки, предложени се голем број на нови структури и материјали, од секојдневни предмети како облека и спортска опрема, до супер-јако платно и вселенски лифтови.

Неодамна, Џејмс Д. Ајверсон и Бред Ц. Едвардс откриле нов начин на вмрежување на молекули на јаглеродните наноцевки во полимерна матрица, со што би се формирал нов суперјак композит. Овој композит би имал затегачка јакост 138 GPa, со што би бил предизвикал револуција во многу аспекти на инженерството каде малата тежина и високата јакост се приоритет.

Поврзано

Надворешни врски

Модели на јаглеродни наноцевки (англиски)