Kohlenstoff-Nanoröhren: Vor- und Nachteile

Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder CNT ist kein neuer Begriff im vorliegenden Szenario, sondern ist das Allotrop des Kohlenstoffs, das sich eine zylindrische Nanostruktur teilt. Die Länge von Nanoröhren liegt zwischen 132.000.000: 1 und hat sehr faszinierende Eigenschaften, die in Nanotechnologie, Optik, Materialwissenschaft, Elektronik und anderen Gebieten der Wissenschaft genutzt werden können. Aufgrund ihrer außerordentlichen Wärmeleitfähigkeit, mechanischen und elektrischen Eigenschaften werden Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Additive für verschiedene Strukturmaterialien verwendet, zum Beispiel bilden in Baseballschlägern, Autoteilen und Golfschlägern Nanoröhrchen einen sehr kleinen Bruchteil des Materials. Nanoröhren sind Mitglieder der Fulleren-Familie, zu der auch die Buckyballs gehören, und die Enden dieser Nanoröhren können mit der Hemisphäre von Buckyballs bedeckt sein. Ihr Name leitet sich von ihrer langen, hohlen Struktur ab, deren Wände aus einatomigen Kohlenstoffschichten bestehen, die als Graphen bekannt sind. Diese Bleche werden dann in einem bestimmten und diskreten Winkel gerollt und die Kombination von Rollwinkel und Radius entscheidet über die Eigenschaften dieser Nanoröhrchen. Nanoröhren sind entweder einwandige Nanoröhren (SWNTs) oder mehrwandige Nanoröhren (MWNTs). Die Partikel der Nanoröhren werden durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Angewandte Quantenchemie, speziell die Orbitalhybridisierung, beschreibt die chemische Bindung in ihnen am besten. Chemische Bindungen bestehen hauptsächlich aus sp2-Bindungen, ähnlich denen in Graphit, und sind stärker als die in Diamant und Alkanen gefundenen sp3-Bindungen und sind daher für die große Festigkeit dieser Strukturen verantwortlich.

Historischer Hintergrund

Im Jahr 1952 veröffentlichten LV Radushkevich und LM Lukyanovich im sowjetischen Journal of Physical Chemistry klare Bilder von 50-nm-Röhren aus Kohlenstoff, aber das Interesse war unter den westlichen Wissenschaftlern, weil es wurde in russischer Sprache veröffentlicht und der Zugang war wegen des Kalten Krieges nicht geöffnet. Die Erfindung des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) ermöglichte die Visualisierung dieser Strukturen. Ein 1976 von Oberlin, Endo und Koyama veröffentlichtes Papier deutete auf Hohlkohlenstoffasern mit einem Durchmesser im Nanometermaßstab unter Verwendung der Dampfwachstumstechnik hin. Im Jahr 1979 präsentierte John Abrahamson auf der 14. Biennial Conference on Carbon der Pennsylvania State University Beweise für Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Das ganze Interesse am Kohlenstoff-Nanoröhrchen geht auf die Entdeckung des Buckminsterfullerens C60 und anderer verbündeter Fullerene im Jahr 1985 zurück. Die Entdeckung, dass Kohlenstoff neben Graphit und Diamant noch andere stabile Strukturen bilden kann, zwang die Forscher dazu finden neue Formen von Kohlenstoff und das Ergebnis kam in Form von C60, das in allen Laboratorien in einfachen Lichtbogenverdampfungsapparaten zur Verfügung gestellt werden kann. Sumio Lijima, ein japanischer Wissenschaftler, entdeckte 1991 den Fulleren-Kohlenstoff-Nanoröhrchen unter Verwendung der einfachen Lichtbogenverdampfungsvorrichtung. Die Röhren bestanden aus zwei Schichten mit einem Durchmesser von 3-30 nm und waren an beiden Enden geschlossen. 1993 wurden einlagige Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem Durchmesser von 1-2 nm entdeckt, die gekrümmt sein können, aber unter den Forschern nicht viel Interesse weckten, da sie strukturell unvollkommen waren. Die Forscher arbeiten nun daran, die katastrophalen Eigenschaften dieser Nanoröhren zu verbessern.

Einwandige Nanoröhren (SWNTs)

Die meisten einwandigen Nanoröhren haben einen Durchmesser von etwa 1 nm und eine millionenfache Länge. Man kann sich die Struktur vorstellen, indem man eine atomdicke Graphitschicht namens Graphen einhüllt in einen nahtlosen Zylinder. Die Art und Weise, in der Graphen eingepackt ist, repräsentiert durch ein Paar Indizes (n, m) und die ganzen Zahlen n und m repräsentieren die Einheitsvektoren entlang der beiden Richtungen im Wabenkristallgitter von Graphen. Wenn m = 0 ist, werden Nanoröhren als Zickzack-Nanoröhren bezeichnet und wenn n = m, dann werden sie als Sessel bezeichnet, ansonsten sind sie chiral. Die SWNTs sind eine sehr wichtige Vielfalt von Nanoröhren, da ihre Eigenschaften sich mit der Veränderung der n- und m-Werte ändern und sind weit verbreitet bei der Entwicklung der ersten intermolekularen Feldeffekttransistoren. Der Preis dieser Nanoröhren hat in der heutigen Zeit abgenommen.

Multi-walled Nanotubes (MWNTs)

Sie bestehen aus mehrfach gerollten Graphenschichten, in denen zwei Schichten die Struktur dieser Nanoröhren besser definieren können. Das russische Doll-Modell sagt, dass die Graphitschichten in konzentrischen Zylindern angeordnet sind, zum Beispiel eine einwandige Nanoröhre in einer einwandigen Nanoröhre. Das Pergament-Modell besagt, dass ein einzelnes Blatt Graphit um sich selbst herumgerollt ist und einer Zeitung ähnelt. Der Zwischenschichtabstand in diesen Nanoröhren beträgt 3,4. Das russische Doll-Modell wird im Allgemeinen bei der Untersuchung der Struktur von MWNTs berücksichtigt. Doppelwandige Nanotubes (DWNTs) sind eine spezielle Art von Nanoröhren mit einer Morphologie und ähnlichen Eigenschaften wie MWNTs mit stark verbesserter Beständigkeit gegenüber den Chemikalien.

Torus

Ein Nanotorus ist ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen, das in Form einer Fackel gebogen ist und viele einzigartige Eigenschaften wie das 1000fache magnetische Moment besitzt. Thermische Stabilität und magnetisches Moment hängen vom Radius des Torus sowie vom Radius des Rohres ab.

Nanobud

Nanobuds sind neu geschaffene Materialien, die durch die Verbindung zweier Kohlenstoff-Allotrope, nämlich Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Fullerene, hergestellt werden. In diesem Material sind die fullerenartigen Knospen kovalent an die äußeren Seitenwände der darunterliegenden Nanoröhre gebunden. Dieses neue Material teilt die Eigenschaften von Fullerenzen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Sie sollen gute Feldemitter sein.

Graphenierte Kohlenstoff-Nanoröhren

Sie sind zuverlässig neu entwickelte Hybridmaterialien, die graphitische Blätter kombinieren, die entlang der Seitenwände einer mehrwandigen Nanoröhre wachsen. Stoner und Mitarbeiter haben berichtet, dass diese Hybridmaterialien eine verbesserte Superkondensatorfähigkeit aufweisen.

Peapod

Kohlenstoff-Peapod ist ein neues Hybridmaterial, das aus einem Fulleren-Netzwerk besteht, das in einer Kohlenstoff-Nanoröhre eingeschlossen ist. Es besitzt interessante magnetische, Heiz- und Bestrahlungseigenschaften.

Cup-stacked carbon nanotubes

Sie unterscheiden sich von anderen quasi 1D-Kohlenstoffmaterialien, die als quasi metallische Elektronenleiter fungieren. Das Halbleiterverhalten dieser Strukturen beruht auf der Stapelstruktur von Graphenschichten.

Extreme Kohlenstoff-Nanoröhren

Die längste Kohlenstoff-Nanoröhre wurde im Jahr 2009 auf 18,5 cm Länge auf Si-Substraten mittels chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt und stellt elektrisch einheitliche Anordnungen von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren dar. Cycloparaphenylen war der kürzeste Kohlenstoff-Nantube, über den im Jahr 2009 berichtet wurde. Die dünnste Kohlenstoff-Nanoröhre ist der Sessel mit einem Durchmesser von 3.

Eigenschaften

1. Stärke

Kohlenstoff-Nanoröhren haben die stärksten Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul aller bisher entdeckten Materialien. Die Zugfestigkeit ist auf das Vorliegen einer sp2-Hybridisierung zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen zurückzuführen. Die Zugfestigkeit von mehrwandigen Rohren wurde im Jahr 2000 auf 63 Gigapascal (GPa) geschätzt. Weitere Studien, die 2008 durchgeführt wurden, haben ergeben, dass die Schale dieser Rohre eine Festigkeit von 100 Gigapascal aufweist, was in guter Übereinstimmung mit den Quantenmodellen steht. Da diese Rohre eine geringe Dichte haben, ist ihre Festigkeit hoch. Wenn diese Rohre übermäßig zugbeansprucht werden, unterliegen sie einer plastischen Verformung, was bedeutet, dass sie dauerhaft verändert werden. Obwohl die Festigkeit der einzelnen Rohre sehr hoch ist, führen schwache Scherwechselwirkungen zwischen den benachbarten Schalen und Rohren zu einer Schwächung der Festigkeit der mehrwandigen Rohre. Sie sind auch nicht stark, wenn sie komprimiert werden. Aufgrund ihrer hohlen Struktur und ihres hohen Aspektverhältnisses zeigen sie ein Knicken, wenn sie unter Torsions- oder Biegebeanspruchung gehalten werden.

2. Härte

Standard-einwandige Nanoröhren können einen Druck von etwa 24 GPa tolerieren, ohne deformiert zu werden, und können zu Superhartphasen-Nanoröhren umgewandelt werden. Der maximale Druck, der unter den derzeitigen experimentellen Techniken toleriert wird, beträgt 55 GPa. Diese superharten Nanoröhren können jedoch bei Drücken von mehr als 55 GPa kollabieren. Der Kompressionsmodul dieser Nanoröhren ist 462-546 GPa viel höher als der von Diamant.

3. Kinetische Eigenschaften

Mehrwandige Nanotubes sind konzentrisch ineinander verschachtelte Nanotubes, die mit ausgeprägter Teleobjektiveigenschaft versehen sind, wobei das Innenrohr reibungslos innerhalb der Außenhülle gleiten kann und somit eine Rotation erzeugt Lager. Dies ist trotz der ersten echten Beispiele für die molekulare Nanotechnologie, die bei der Herstellung von Maschinen nützlich ist. Diese Eigenschaft wurde bereits bei der Herstellung des kleinsten Drehmotors der Welt verwendet.

4. Elektrische Eigenschaften

Die Symmetrie und einzigartige elektronische Struktur von Graphen ist dafür verantwortlich, dass die Kohlenstoffnanoröhren ihre erstaunlichen elektrischen Eigenschaften aufweisen. Intrinsische Supraleitung wurde in Nanoröhren beobachtet, ist jedoch im vorliegenden Kontext ein kontroverses Thema.

5. Wellenabsorption

Die zuletzt durchgeführten Eigenschaften der mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren sind ihre Effizienz, Mikrowellenabsorption zu zeigen und ist das aktuelle Forschungsgebiet der Forscher für die Radarabsorption Materialien (RAM), um den Flugzeugen und Militärfahrzeugen eine bessere Festigkeit zu verleihen. Die Forschung ist im Gange, wo Forscher versuchen, die MWNTs mit Metallen wie Eisen, Nickel oder Kobalt zu füllen, um die Wirksamkeit dieser Röhren für die Mikrowellenzeit zu erhöhen, und die Ergebnisse haben eine Verbesserung der maximalen Absorption und Bandbreite der adäquaten Absorption gezeigt.

6. Thermische Eigenschaften

Es wird allgemein angenommen, dass alle Nanoröhren gute Wärmeleiter sind, die die Eigenschaft der ballistischen Leitfähigkeit aufweisen.

Defekte

Ein kristallographischer Defekt beeinflusst die Materialeigenschaft irgendeines Materials und der Defekt ist auf das Vorhandensein von atomaren Fehlstellen zurückzuführen, und solche Defekte können die Zugfestigkeit des Materials auf etwa 85% reduzieren. Der Strong Wales Defect erzeugt durch Umlagerung von Bindungen ein Fünfeck und ein Siebeneck. Die Zugfestigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren hängt vom schwächsten Segment ab. Ein kristallographischer Defekt beeinflusst auch die elektrischen Eigenschaften der Röhren durch Senken der Leitfähigkeit. Ein kristallographischer Defekt beeinflusst auch die Wärmeleitfähigkeit der Röhren, was zu einer Phononenstreuung führt, die die mittlere freie Weglänge reduziert.

Anwendungen

Nanoröhren werden häufig zur Herstellung von Spitzen der atomkraftmikroskopischen Sonden verwendet. Sie werden auch im Tissue Engineering als Gerüst für das Knochenwachstum verwendet. Ihre mögliche Stärke hilft ihnen, als Füllmaterial zur Erhöhung der Zugfestigkeit anderer Nanoröhren verwendet zu werden. Ihre mechanische Eigenschaft hilft ihnen bei der Herstellung von Kleidung, Sportjacken und Raumaufzügen. Sie werden auch bei der Herstellung von elektrischen Schaltungen, Kabeln und Drähten verwendet.

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Source by Navodita Maurice