De koolstoftoekomst van elektronica. Koolstofnanobuisjes en nanowolven

http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/135.html
Veel van de veelbelovende gebieden in de materiaalkunde, nanotechnologie, nano-elektronica en toegepaste chemie zijn onlangs in verband gebracht met fullerenen, nanobuisjes en andere soortgelijke structuren, die de algemene term koolstofframestructuren kunnen worden genoemd. Wat is het?
Koolstofraamwerkstructuren zijn grote (en soms gigantische!) moleculen die volledig uit koolstofatomen bestaan. Je kunt zelfs zeggen dat koolstofframestructuren een nieuwe allotrope vorm van koolstof zijn (naast de al lang bekende: diamant en grafiet). Het belangrijkste kenmerk van deze moleculen is hun skeletvorm: ze zien eruit als gesloten, lege ‘schalen’ van binnen.
Tenslotte valt de verscheidenheid aan toepassingen op die al voor nanobuisjes zijn bedacht. Het eerste dat zich voordoet is het gebruik van nanobuisjes als zeer sterke microscopisch kleine staafjes en draden. Zoals de resultaten van experimenten en numerieke modellen laten zien, bereikt de Young-modulus van een enkelwandige nanobuis waarden in de orde van 1-5 TPa, wat een orde van grootte groter is dan die van staal! Het is waar dat de maximale lengte van nanobuisjes momenteel tientallen en honderden microns bedraagt ​​- wat natuurlijk erg groot is op atomaire schaal, maar te kort voor dagelijks gebruik. De lengte van de in het laboratorium verkregen nanobuisjes neemt echter geleidelijk toe - nu zijn wetenschappers al in de buurt van de millimeter gekomen: zie het werk, dat de synthese beschrijft van een meerwandige nanobuis van 2 mm lang. Daarom is er alle reden om te hopen dat wetenschappers in de nabije toekomst zullen leren nanobuisjes van centimeters en zelfs meters lang te laten groeien! Uiteraard zal dit toekomstige technologieën enorm beïnvloeden: een ‘kabel’ zo dik als een mensenhaar, die een last van honderden kilogrammen kan dragen, zal immers talloze toepassingen vinden.
De ongebruikelijke elektrische eigenschappen van nanobuisjes zullen ze tot een van de belangrijkste materialen voor nano-elektronica maken. Er zijn al prototypes van veldeffecttransistors op basis van één nanobuisje gemaakt: door een sperspanning van enkele volts aan te leggen, hebben wetenschappers geleerd de geleidbaarheid van enkelwandige nanobuisjes met vijf ordes van grootte te veranderen!
Er zijn al verschillende toepassingen van nanobuisjes in de computerindustrie ontwikkeld. Er zijn bijvoorbeeld prototypes gemaakt en getest van dunne platte beeldschermen die werken op een matrix van nanobuisjes. Onder invloed van een spanning die op het ene uiteinde van de nanobuis wordt aangelegd, beginnen elektronen vanaf het andere uiteinde te worden uitgezonden, die op het fosforescerende scherm vallen en ervoor zorgen dat de pixel gaat gloeien. De resulterende beeldkorrel zal fantastisch klein zijn: in de orde van een micron!

http://brd.dorms.spbu.ru/nanotech/print.php?sid=44
Een poging om nanobuisjes te fotograferen met een conventionele camera met flitser resulteerde in een blok nanobuisjes dat een luide knal maakte in het licht van de flitser en, helder knipperend, explodeerde.
Verbijsterde wetenschappers beweren dat het onverwacht ontdekte fenomeen van de ‘explosiviteit’ van buizen nieuwe, totaal onverwachte toepassingen voor dit materiaal kan vinden – en het zelfs kan gebruiken als ontstekers om kernkoppen tot ontploffing te brengen. En het zal uiteraard ook het gebruik ervan op bepaalde gebieden in twijfel trekken of bemoeilijken.

http://www.sciteclibrary.com/rus/catalog/pages/2654.html
Het vooruitzicht opent zich voor een aanzienlijke verlenging van de levensduur van oplaadbare batterijen

http://vivovoco.nns.ru/VV/JOURNAL/VRAN/SESSION/NANO1.HTM
Koolstofnanobuisstructuren zijn een nieuw materiaal voor emissie-elektronica.

http://www.gazetangn.narod.ru/archive/ngn0221/space.html
In 1996 werd ontdekt dat individuele koolstofnanobuisjes spontaan tot touwen van 100-500 vezelbuizen kunnen draaien, en de sterkte van deze touwen bleek groter te zijn dan die van diamant. Om precies te zijn: ze zijn 10-12 keer sterker en 6 keer lichter dan staal. Stel je voor: een draad met een diameter van 1 millimeter zou een belasting van 20 ton kunnen weerstaan, honderden miljarden keren groter dan zijn eigen gewicht! Het is van dergelijke draden dat je supersterke kabels van grote lengte kunt krijgen. Van even lichte en duurzame materialen kun je een liftframe bouwen: een gigantische toren die drie keer zo groot is als de diameter van de aarde. Passagiers- en vrachtcabines zullen er met enorme snelheid langs bewegen - dankzij supergeleidende magneten, die wederom zullen worden opgehangen aan touwen gemaakt van koolstofnanobuisjes. De kolossale vrachtstroom naar de ruimte zal ons in staat stellen om actieve verkenningen van andere planeten te beginnen.
Als iemand geïnteresseerd is in dit project, zijn details (in het Russisch) bijvoorbeeld te vinden op de website http://private.peterlink.ru/geogod/space/future.htm. Alleen wordt er met geen woord gerept over koolstofbuizen.
En op http://www.eunet.lv/library/win/KLARK/fontany.txt kun je Arthur C. Clarke’s roman ‘The Fountains of Paradise’ lezen, die hij zelf als zijn beste werk beschouwde.

http://www.inauka.ru/science/28-08-01/article4805
Volgens deskundigen zal de nanotechnologie het tegen 2007 mogelijk maken microprocessors te creëren die ongeveer 1 miljard transistors zullen bevatten en die kunnen werken op frequenties tot 20 gigahertz bij een voedingsspanning van minder dan 1 volt.

Nanobuis-transistor
De eerste transistor die volledig uit koolstofnanobuisjes bestaat, is gemaakt. Dit opent het vooruitzicht om conventionele siliciumchips te vervangen door snellere, goedkopere en kleinere componenten.
's Werelds eerste nanobuistransistor is een Y-vormige nanobuis die zich gedraagt ​​als een conventionele transistor. Dankzij de potentiaal die op een van de 'poten' wordt toegepast, kun je de stroomdoorgang tussen de andere twee regelen. Tegelijkertijd is de stroom-spanningskarakteristiek van de ‘nanobuistransistor’ bijna ideaal: er vloeit stroom of niet.

http://www.pool.kiev.ua/clients/poolhome.nsf/0/a95ad844a57c1236c2256bc6003dfba8?OpenDocument
Volgens een artikel gepubliceerd op 20 mei in het wetenschappelijke tijdschrift Applied Physics Letters hebben IBM-specialisten transistors verbeterd op basis van koolstofnanobuisjes. Als resultaat van experimenten met verschillende moleculaire structuren konden de onderzoekers de hoogste geleidbaarheid tot nu toe bereiken voor koolstofnanobuistransistoren. Hoe hoger de geleidbaarheid, hoe sneller de transistor werkt en hoe krachtiger geïntegreerde schakelingen op basis daarvan kunnen worden gebouwd. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat de geleidbaarheid van koolstofnanobuistransistoren meer dan het dubbele was van die van de snelste siliciumtransistors van dezelfde grootte.

http://kv.by/index2003323401.htm
De groep van UC Berkeley-professor Alex Zettl heeft opnieuw een doorbraak bereikt op het gebied van nanotechnologie. Wetenschappers hebben de eerste kleinste motor op nanoschaal gemaakt op basis van meerwandige nanobuisjes, zoals gerapporteerd in het tijdschrift Nature op 24 juli. Het koolstofnanobuisje fungeert als een soort as waarop de rotor is gemonteerd. De maximale afmetingen van een nanomotor zijn ongeveer 500 nm, de rotor heeft een lengte van 100 tot 300 nm, maar de nanobuis-as heeft een diameter van slechts enkele atomen, d.w.z. ongeveer 5-10 nm.

http://www.computerra.ru/hitech/tech/26393/
Onlangs legde het bedrijf Nantero uit Boston een verklaring af over de ontwikkeling van geheugenkaarten van een fundamenteel nieuw type, gemaakt op basis van nanotechnologie. Nantero Inc. is actief betrokken bij de ontwikkeling van nieuwe technologieën en besteedt met name veel aandacht aan het vinden van manieren om niet-vluchtig Random Access Memory (RAM) te creëren op basis van koolstofnanobuisjes. In zijn toespraak kondigde een vertegenwoordiger van het bedrijf aan dat ze nog maar één stap verwijderd zijn van het maken van geheugenkaarten met een capaciteit van 10 GB. Vanwege het feit dat de structuur van het apparaat is gebaseerd op nanobuisjes, wordt voorgesteld het nieuwe geheugen NRAM (Nonvolatile (non-volatile) RAM) te noemen.

http://www.ixs.nm.ru/nan0.htm
Een van de resultaten van het onderzoek was het praktische gebruik van de uitstekende eigenschappen van nanobuisjes om de massa van extreem kleine deeltjes te meten. Wanneer het te wegen deeltje aan het uiteinde van de nanobuis wordt geplaatst, neemt de resonantiefrequentie af. Als de nanobuis is gekalibreerd (dat wil zeggen dat de elasticiteit ervan bekend is), kan de massa van het deeltje worden bepaald aan de hand van de verschuiving in de resonantiefrequentie.

http://www.mediacenter.ru/a74.phtml
Een van de eerste commerciële toepassingen zal de toevoeging van nanobuisjes aan verven of kunststoffen zijn om deze materialen elektrisch geleidend te maken. Dit maakt het mogelijk om in sommige producten metalen onderdelen te vervangen door polymeeronderdelen.
Koolstofnanobuisjes zijn een duur materiaal. CNI verkoopt het momenteel voor $ 500 per gram. Bovendien behoeven de technologie voor het zuiveren van koolstofnanobuisjes – waarbij de goede van de slechte worden gescheiden – en de manier waarop de nanobuisjes in andere producten worden geïntroduceerd verbetering. Voor het oplossen van sommige problemen zijn mogelijk ontdekkingen op Nobelniveau nodig, zegt Joshua Wolf, managing partner bij durfkapitaalbedrijf Lux Capital op het gebied van nanotechnologie.

Onderzoekers raakten geïnteresseerd in koolstofnanobuisjes vanwege hun elektrische geleidbaarheid, die hoger was dan die van welke bekende geleider dan ook. Ze hebben ook een uitstekende thermische geleidbaarheid, zijn chemisch stabiel, hebben een extreme mechanische sterkte (1000 keer sterker dan staal) en krijgen, het meest verbazingwekkend, halfgeleidende eigenschappen wanneer ze worden gedraaid of gebogen. Om te werken, worden ze in een ring gevormd. De elektronische eigenschappen van koolstofnanobuisjes kunnen lijken op die van metalen of halfgeleiders (afhankelijk van de oriëntatie van de koolstofpolygonen ten opzichte van de as van de buis), d.w.z. afhankelijk van hun grootte en vorm.

http://www.ci.ru/inform09_01/p04predel.htm
Metallische geleidende nanobuisjes zijn bestand tegen stroomdichtheden die 102 tot 103 keer hoger zijn dan conventionele metalen, en halfgeleidende nanobuisjes kunnen elektrisch worden in- en uitgeschakeld via een veld dat wordt gegenereerd door een elektrode, waardoor veldeffecttransistors kunnen worden gecreëerd.
IBM-wetenschappers ontwikkelden een methode genaamd ‘constructieve vernietiging’ waarmee ze alle metalen nanobuisjes konden vernietigen terwijl de halfgeleiderbuizen intact bleven.

http://www.pr.kg/articles/n0111/19-sci.htm
Koolstofnanobuisjes hebben een andere toepassing gevonden in de strijd voor de menselijke gezondheid: deze keer gebruikten Chinese wetenschappers nanobuisjes om drinkwater van lood te zuiveren.

http://www.scientific.ru/journal/news/n030102.html
We schrijven regelmatig over koolstofnanobuisjes, maar er zijn eigenlijk andere soorten nanobuisjes gemaakt van verschillende halfgeleidermaterialen. Wetenschappers zijn in staat nanobuisjes te kweken met nauwkeurig gespecificeerde wanddikte, diameter en lengte.
Nanobuisjes kunnen worden gebruikt als nanobuisjes voor het transporteren van vloeistoffen, maar ze kunnen ook dienen als tips voor injectiespuiten met een nauwkeurig gecontroleerd aantal nanodruppeltjes. Nanobuisjes kunnen worden gebruikt als nanoboren, nanopincetten en tips voor het scannen van tunnelmicroscopen. Nanobuisjes met voldoende dikke wanden en een kleine diameter kunnen dienen als ondersteunende dragers voor nanoobjecten, terwijl nanobuisjes met een grote diameter en dunne wanden kunnen dienen als nanocontainers en nanocapsules. Nanobuisjes gemaakt van op silicium gebaseerde verbindingen, waaronder siliciumcarbide, zijn vooral goed voor het maken van mechanische producten omdat deze materialen sterk en elastisch zijn. Nanobuisjes in vaste toestand kunnen ook toepassing vinden in de elektronica.

http://www.compulenta.ru/2003/5/12/39363/
De onderzoeksafdeling van IBM Corporation kondigde een belangrijke prestatie aan op het gebied van nanotechnologie. IBM Research-specialisten zijn erin geslaagd koolstofnanobuisjes te laten gloeien, een uiterst veelbelovend materiaal dat ten grondslag ligt aan veel nanotechnologische ontwikkelingen over de hele wereld.
Het lichtgevende nanobuisje heeft een diameter van slechts 1,4 nm, dat wil zeggen 50 duizend keer dunner dan een mensenhaar. Dit is het kleinste lichtgevende apparaat in de geschiedenis. De creatie ervan was het resultaat van een programma dat de elektrische eigenschappen van koolstofnanobuisjes bestudeerde, dat de afgelopen jaren bij IBM werd uitgevoerd.

http://bunburyodo.narod.ru/chem/solom.htm
Naast de hierboven genoemde creatie van metalen nanodraden, die nog lang niet gerealiseerd is, is de ontwikkeling van zogenaamde koude emitters op nanobuisjes populair. Koude emitters zijn een sleutelelement van de flatpanel-tv van de toekomst; ze vervangen de hete emitters van moderne kathodestraalbuizen en maken het ook mogelijk om af te rekenen met de gigantische en onveilige versnellingsspanningen van 20-30 kV. Bij kamertemperatuur zijn nanobuisjes in staat elektronen uit te zenden, waarbij ze bij bijna duizend graden en zelfs bij een spanning van slechts 500 V een stroom produceren met dezelfde dichtheid als een standaard wolfraamanode. (En om röntgenstraling te produceren heb je tientallen kilovolt en een temperatuur van 1500 graden (nan))

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/742.html
De hoge elasticiteitsmodulus van koolstofnanobuisjes maakt het mogelijk composietmaterialen te maken die hoge sterkte bieden bij ultrahoge elastische vervormingen. Van dergelijk materiaal zal het mogelijk zijn om ultralichte en ultrasterke stoffen te maken voor brandweerlieden en astronauten.
Het hoge specifieke oppervlak van nanobuismateriaal is aantrekkelijk voor veel technologische toepassingen. Tijdens het groeiproces worden willekeurig georiënteerde spiraalvormige nanobuisjes gevormd, wat leidt tot de vorming van een aanzienlijk aantal holtes en holtes van nanometergrootte. Hierdoor bereikt het specifieke oppervlak van het nanobuismateriaal waarden van ongeveer 600 m2/g. Een dergelijk hoog specifiek oppervlak opent de mogelijkheid voor gebruik ervan in filters en andere chemische technologische apparaten.

http://www.1september.ru/ru/him/2001/09/no09_1.htm
Een nanokabel van de aarde naar de maan vanuit één enkele buis zou op een haspel ter grootte van een maanzaad kunnen worden gewikkeld.
Nanobuisjes zijn 50 tot 100 keer sterker dan staal (hoewel nanobuisjes zes keer minder dicht zijn). De Young-modulus – een kenmerk van de weerstand van een materiaal tegen axiale spanning en compressie – is gemiddeld twee keer zo hoog voor nanobuisjes als voor koolstofvezels. De buizen zijn niet alleen duurzaam, maar ook flexibel; hun gedrag lijkt niet op broze rietjes, maar op harde rubberen buizen.
Een draad met een diameter van 1 mm, bestaande uit nanobuisjes, zou een belasting van 20 ton kunnen weerstaan, wat honderden miljarden keer zijn eigen massa is.
Een internationale groep wetenschappers heeft aangetoond dat nanobuisjes kunnen worden gebruikt om kunstmatige spieren te creëren, die met hetzelfde volume drie keer sterker kunnen zijn dan biologische, en niet bang zijn voor hoge temperaturen, vacuüm en veel chemische reagentia.
Nanobuisjes zijn een ideaal materiaal voor het veilig opslaan van gassen in interne holtes. In de eerste plaats geldt dit voor waterstof, dat lange tijd als brandstof voor auto's zou zijn gebruikt, als grote, dikwandige, zware en onveilige waterstofopslagcilinders waterstof niet van zijn belangrijkste voordeel hadden beroofd: er komt een grote hoeveelheid energie per dag vrij. eenheidsmassa (slechts ongeveer 3 kg H2 is nodig voor 500 km voertuigkilometers). De “gastank” met nanobuisjes zou stationair onder druk gevuld kunnen worden, en de brandstof zou verwijderd kunnen worden door de “gastank” lichtjes te verwarmen. Om conventionele gascilinders te overtreffen in termen van massa en volumetrische dichtheid van opgeslagen energie (de massa van waterstof gedeeld door de massa samen met de schaal of het volume samen met de schaal), zijn nanobuisjes met holtes met een relatief grote diameter nodig - meer dan 2-3 nm.
Biologen konden kleine eiwitten en DNA-moleculen in de holte van nanobuisjes brengen. Dit is zowel een methode voor het produceren van een nieuw type katalysatoren als, in de toekomst, een methode voor het afleveren van biologisch actieve moleculen en medicijnen aan bepaalde organen.

Structuur en classificatie van nanobuisjes

Koolstof nanobuisjes

Koolstof nanobuisjes(koolstofnanobuisjes, CNT's) zijn moleculaire verbindingen die behoren tot de klasse van allotrope modificaties van koolstof. Het zijn verlengde cilindrische structuren met een diameter van één tot enkele tientallen nanometers en een lengte van één tot enkele microns.

Figuur 8. Koolstofnanobuisje

Nanobuisjes bestaan ​​uit een of meer lagen die in een buis zijn gerold en die elk een hexagonaal netwerk van grafiet (grafeen) vertegenwoordigen, waarvan de basis bestaat uit zeshoeken met koolstofatomen die zich op de hoekpunten van de hoeken bevinden. In alle gevallen is de afstand tussen de lagen 0,34 nm, dat wil zeggen hetzelfde als tussen de lagen in kristallijn grafiet.

De bovenste uiteinden van de buizen zijn afgesloten met halfbolvormige doppen, waarvan elke laag is samengesteld uit zeshoeken en vijfhoeken, die doen denken aan de structuur van een half fullereenmolecuul.

Er wordt aangenomen dat de ontdekker van koolstofnanobuisjes een medewerker is van het Japanse NEC-bedrijf, Sumio Iijima, die in 1991 de structuren van meerwandige nanobuisjes observeerde terwijl hij onder een elektronenmicroscoop de sedimenten bestudeerde die gevormd werden tijdens de synthese van moleculaire vormen van zuivere nanobuisjes. koolstof met een cellulaire structuur.

Een ideale nanobuis is een grafietvlak dat in een cilinder is gerold, d.w.z. een oppervlak bekleed met regelmatige zeshoeken, op de hoekpunten waarvan koolstofatomen zich bevinden.

De parameter die de coördinaten van de zeshoek aangeeft, die als resultaat van het vouwen van het vlak zou moeten samenvallen met de zeshoek die zich aan de oorsprong van de coördinaten bevindt, wordt de chiraliteit van de nanobuis genoemd. De chiraliteit van een nanobuis bepaalt de elektrische eigenschappen ervan.

Zoals waarnemingen met behulp van elektronenmicroscopen hebben aangetoond, bestaan ​​de meeste nanobuisjes uit verschillende grafietlagen, die ofwel in elkaar zijn genest, ofwel om een ​​gemeenschappelijke as zijn gewikkeld.

Enkelwandige nanobuisjes(enkelwandige nanobuisjes, SWNT's) zijn het eenvoudigste type nanobuisjes. De meeste hebben een diameter van ongeveer 1 nm met een lengte die vele duizenden keren groter kan zijn.

Figuur 9. Model van een enkelwandige nanobuis.

Zo'n buis eindigt met halfronde hoekpunten die naast regelmatige zeshoeken ook zes regelmatige vijfhoeken bevatten.

De structuur van experimenteel waargenomen enkelwandige nanobuisjes verschilt in veel opzichten van het hierboven weergegeven geïdealiseerde beeld. Allereerst gaat het om de hoekpunten van de nanobuis, waarvan de vorm, zoals uit observaties blijkt, verre van een ideale halve bol is.

Figuur 10. Dwarsdoorsnedemodellen van meerwandige nanobuisjes

Meerwandige nanobuisjes verschillen van enkelwandige nanobuisjes in een veel grotere verscheidenheid aan vormen en configuraties, zowel in de longitudinale als in de transversale richting. Mogelijke typen transversale structuur van meerwandige nanobuisjes worden weergegeven in Figuur 10.

De structuur van het type "Russische poppen" is een verzameling enkelwandige nanobuisjes die coaxiaal in elkaar zijn genest. ( Figuur 10a). De laatste van de gegeven structuren (Figuur 10 b) lijkt op een boekrol. Voor de bovenstaande structuren liggen de afstanden tussen aangrenzende grafietlagen dichtbij 0,34 nm, d.w.z. de afstand tussen aangrenzende vlakken van kristallijn grafiet. De implementatie van een bepaalde structuur in een specifieke experimentele situatie hangt af van de omstandigheden voor de synthese van nanobuisjes. 2.2 Bereiding van koolstofnanobuisjes

De meest gebruikelijke methoden voor het synthetiseren van nanobuisjes zijn de elektrische boogmethode, laserablatie en chemische dampafzetting (CVD).

Boogontlading - De essentie van deze methode is het verkrijgen van koolstofnanobuisjes in een boogontladingsplasma dat brandt in een heliumatmosfeer in technologische installaties voor de productie van fullerenen. Hier worden echter andere boogverbrandingsmodi gebruikt: lage boogontladingsstroomdichtheden, hogere heliumdruk (~ 500 Torr), kathodes met grotere diameter. Om het maximale aantal nanobuisjes te verkrijgen, moet de boogstroom 65-75 A zijn, spanning - 20-22 V, elektronenplasmatemperatuur - ongeveer 4000 K. Onder deze omstandigheden verdampt de grafietanode intensief, waardoor individuele atomen of paren koolstof worden afgegeven atomen, waarvan de kathode of op de watergekoelde wanden van de kamer en koolstofnanobuisjes worden gevormd.

Om de opbrengst aan nanobuisjes in sputterproducten te vergroten, wordt een katalysator (een mengsel van metalen uit de ijzergroep) in de grafietstaaf geïntroduceerd, de druk van het inerte gas en de sputtermodus veranderd.

Het gehalte aan nanobuisjes in de kathode-afzetting bereikt 60%. De resulterende nanobuisjes, tot 40 micron lang, groeien vanaf de kathode loodrecht op het oppervlak en worden gecombineerd tot cilindrische bundels met een diameter van ongeveer 50 nm.

Een typisch diagram van een elektrische booginstallatie voor de productie van materiaal dat nanobuisjes en fullerenen bevat, evenals andere koolstofformaties, wordt getoond in Figuur 11.

Figuur 11. Schema van de installatie voor het produceren van nanobuisjes met behulp van de elektrische boogmethode.

De laserablatiemethode is uitgevonden door Richard Smalley en medewerkers van Rice University en is gebaseerd op de verdamping van een grafietdoel in een hogetemperatuurreactor. Nanobuisjes verschijnen op het gekoelde oppervlak van de reactor als grafietverdampingscondensaat. Een watergekoeld oppervlak kan worden opgenomen in een verzamelsysteem voor nanobuisjes. De productopbrengst bij deze werkwijze bedraagt ​​ongeveer 70%. Het wordt gebruikt om voornamelijk enkelwandige koolstofnanobuisjes te produceren met een diameter die wordt geregeld door de reactietemperatuur. De kosten van deze methode zijn echter veel duurder dan die van andere.

Chemische dampafzetting (CVD) - een methode voor katalytische afzetting van koolstofdamp werd al in 1959 ontdekt, maar tot 1993 had niemand gedacht dat met dit proces nanobuisjes zouden kunnen worden verkregen.

Figuur 12. Schema van de installatie voor het produceren van nanobuisjes door chemische depositie.

Fijn metaalpoeder (meestal nikkel, kobalt, ijzer of combinaties daarvan) wordt gebruikt als katalysator, dat in een keramische smeltkroes in een kwartsbuis wordt gegoten. Deze laatste wordt op zijn beurt in een verwarmingsapparaat geplaatst dat het mogelijk maakt een gecontroleerde temperatuur in het bereik van 700 tot 1000°C te handhaven. Een mengsel van koolwaterstofgas en buffergas wordt door een kwartsbuis gespoeld. Typische samenstelling van een mengsel van C 2 H 2: N 2 in een verhouding van 1:10. Het proces kan enkele minuten tot enkele uren duren. Lange koolstoffilamenten en meerwandige nanobuisjes met een lengte tot enkele tientallen micrometers met een interne diameter van 10 nm en een externe diameter van 100 nm groeien op het oppervlak van de katalysator. De diameter van op deze manier gekweekte nanobuisjes hangt af van de grootte van de metaaldeeltjes.

Dit mechanisme is de meest gebruikelijke commerciële methode voor de productie van koolstofnanobuisjes. Van andere methoden voor de productie van nanobuisjes is CVD de meest veelbelovende op industriële schaal vanwege de beste verhouding in termen van eenheidsprijs. Bovendien maakt het de bereiding mogelijk van verticaal georiënteerde nanobuisjes op het gewenste substraat zonder extra verzameling, en wordt de groei ervan gecontroleerd via een katalysator.

Er ontstaan ​​brede perspectieven voor het gebruik van nanobuisjes in de materiaalkunde wanneer supergeleidende kristallen (bijvoorbeeld TaC) worden ingekapseld in koolstofnanobuisjes. De mogelijkheid om supergeleidende kristallen te verkrijgen ingekapseld in nanobuisjes maakt het mogelijk om ze te isoleren van de schadelijke effecten van de externe omgeving, bijvoorbeeld van oxidatie, waardoor de weg wordt geopend voor een efficiëntere ontwikkeling van overeenkomstige nanotechnologieën.

De grote negatieve magnetische gevoeligheid van nanobuisjes geeft hun diamagnetische eigenschappen aan. Er wordt aangenomen dat het diamagnetisme van nanobuisjes het gevolg is van de stroom van elektronenstromen rond hun omtrek. De grootte van de magnetische gevoeligheid hangt niet af van de oriëntatie van het monster, die verband houdt met de wanordelijke structuur ervan.

Veel technologische toepassingen van nanobuisjes zijn gebaseerd op hun eigenschap van een hoog specifiek oppervlak (in het geval van een enkelwandige nanobuis ongeveer 600 vierkante meter per 1/g), wat de mogelijkheid opent voor hun gebruik als poreus materiaal in filters, enz.

Nanobuisjesmateriaal kan met succes worden gebruikt als ondersteunend substraat voor heterogene katalyse, en de katalytische activiteit van open nanobuisjes overschrijdt aanzienlijk de overeenkomstige parameter voor gesloten nanobuisjes.

Het is mogelijk om nanobuisjes met een hoog specifiek oppervlak te gebruiken als elektroden voor elektrolytische condensatoren met een hoog specifiek vermogen. Koolstofnanobuisjes hebben zich goed bewezen in experimenten waarbij ze werden gebruikt als coating die de vorming van een diamantfilm bevordert.

Dergelijke eigenschappen van een nanobuisje, zoals zijn kleine formaat, dat aanzienlijk varieert afhankelijk van de syntheseomstandigheden, elektrische geleidbaarheid, mechanische sterkte en chemische stabiliteit, stellen ons in staat het nanobuisje te beschouwen als de basis voor toekomstige micro-elektronische elementen.

Nanobuisjes kunnen dienen als basis voor extreem dunne meetinstrumenten die worden gebruikt om oppervlakte-onregelmatigheden in elektronische circuits te monitoren.

Interessante toepassingen kunnen worden verkregen door nanobuisjes wanneer ze gevuld zijn met verschillende materialen. In dit geval kan het nanobuisje zowel worden gebruikt als drager van het materiaal dat het vult, als als een isolerende schaal die dit materiaal beschermt tegen elektrisch contact of tegen chemische interactie met omringende objecten.

Sterker dan een radiaalband? Alles wijst erop dat de opkomst van TUBALL koolstofnanobuisjes in de bandenindustrie een nog grotere technische revolutie zal teweegbrengen dan de opkomst van silicium in de jaren negentig, en vergelijkbaar zal zijn met de ontdekking van de radiaalband na de oorlog. Zelfs een klein aantal van deze verbazingwekkend kleine buisjes met een diameter van één nanometer (1 miljardste van een meter), met wanden van slechts één (!) koolstofatoom dik, kunnen de prestaties van elk rubber verbeteren. op ongelooflijke schaal. De geschiedenis van deze uitvinding, geboren in het hart van Siberië, is even grandioos als origineel.

In 1945 werd voor het eerst in de geschiedenis een atoombom gebruikt. Het was toen dat mensen leerden dat materie een opslagplaats is van enorme energie. In dat stadium bleek de grootste moeilijkheid te zijn: correcte energiewinning. Het is de noodzaak om op atomair niveau met koolstofnanobuisjes te werken, waardoor ze zowel ongebruikelijk qua eigenschappen als moeilijk te synthetiseren zijn.

Om niet als idioot te sterven...

Als je met minimale kennis ingaat op dergelijke geavanceerde technologie, ben je er zeker van dat je niets van dit onderzoek zult begrijpen, zelfs als je denkt te weten wat koolstof is. Waarschijnlijk meer dan 500.000 jaar geleden begonnen onze voorouders het te gebruiken voor verwarming of koken met houtskool. Ongeveer 3 eeuwen geleden markeerde het begin van het gebruik van steenkool en de stoommachine de komst van het industriële tijdperk. Deze prehistorische periode in de geschiedenis van koolstof heeft echter niets te maken met moderne nanochemie...

In grote lijnen is alles wat op aarde groeit en leeft afhankelijk van koolstof. En de mens, die voor 65% uit water, 3% stikstof, 18% koolstof en 10% waterstof bestaat, is daar een perfect voorbeeld van. In de natuur zijn er meer dan een miljoen verbindingen gemaakt van een combinatie van koolstof en waterstof; we mogen niet vergeten dat na steenkool koolwaterstoffen voor ons de belangrijkste energiebron zijn: over het algemeen is het niet zo eenvoudig om zonder onvervangbare koolstof te doen. .

In zijn natuurlijke staat heeft het slechts twee kristallijne en zeer verschillende vormen: diamant en grafiet. De eerste is een prestigieus, uiterst zeldzaam en hard materiaal, de tweede is vettig aanvoelend, een veel minder exclusieve koolstofsoort, die wordt gewonnen in een volume van ongeveer anderhalf miljoen ton per jaar. Weinig mensen weten dat een diamant na verloop van tijd (een hele lange periode!) valt uiteen in grafiet, wat uiteindelijk de meest stabiele vorm van koolstof is. We zijn zeer bekend met dit zwarte of grijze mineraal; het is de moeite waard om bijvoorbeeld Chinese inkt of potloodstift te onthouden. Tegenwoordig draagt ​​grafiet onder meer bij aan de veiligheid van kerncentrales en levert het ons ook miljoenen elektrische batterijen op. Hij is de onbetwistbare voorouder van alle vormen van structuren uit koolstofatomen die de mens vervolgens zal creëren.

Van een micrometer...

Dergelijke gunstige smerende eigenschappen van grafiet, dat qua structuur doet denken aan koolstof "duizendblad" of "duizendlaag", zijn te danken aan het gemak waarmee de lagen over elkaar glijden. Deze platte en extreem dunne lagen hebben de vorm van een ‘honingraat’, die bestaat uit dicht op elkaar gepakte zeshoekige ringen, waarvan de bovenkant een koolstofatoom is dat gebonden is aan drie van zijn buren. Er zijn zelfs lagen van één atoom dik! Deze speciale structuur maakt het gemakkelijker (alles is relatief!) om toegang te krijgen tot de koolstofatomen. Het enorme potentieel van grafiet is al lang bekend, maar het gebruik van alle positieve eigenschappen van grafiet wordt belemmerd door een aantal problemen die zich voordoen bij het werken met grafiet op atomair niveau. De eerste valkuil is dat dergelijke structuren pas duidelijk zichtbaar zullen zijn na de komst van nieuwe, krachtige elektronenmicroscopen met hoge resolutie.

Aanvankelijk keken scheikundigen naar koolstof vanwege het gemak waarmee het in vezels werd omgezet. Door lange en platte microkristallen met elkaar te verbinden en ze langs parallelle lijnen uit te lijnen, is het mogelijk vezels met een diameter van 5-10 micron te synthetiseren. Een samenstel van 1, 3, 6, 12, 24, 48 duizend van deze koolstofvezels, afhankelijk van het soort gebruik waarvoor ze bedoeld zijn,
helpt verrassend sterke draden te synthetiseren, ondanks hun gewichtloosheid. In een poging de door oorlog beschadigde textielindustrie weer op te bouwen, begonnen de Japanners in 1959 met de ontwikkeling van koolstofvezels. Het eerste onderzoekscentrum zou later Toray worden, dat nog steeds een van de grootste bedrijven ter wereld is.

Een kort overzicht van de uitzonderlijke eigenschappen van enkelwandige nanobuisjes: ze geleiden beter dan koper, zijn vijf keer lichter en honderd keer sterker dan staal, zijn een miljoen keer langer dan hun diameter, en 1 gram ontwikkeld oppervlak bestrijkt het gebied van 2 basketbalvelden!

Deze nieuwe vezels waren niet geheel geschikt voor traditioneel textiel, maar werden vanwege hun uitzonderlijke mechanische eigenschappen al snel gewaardeerd door de militaire en luchtvaartindustrie. Tegenwoordig bestaat de nieuwste generatie burgervliegtuigen voor meer dan 50% uit koolstofvezel, en de A380 zou zonder zijn hulp helemaal niet kunnen vliegen... En overal waar efficiëntie en een laag gewicht nodig zijn - sportartikelen, zeilboten en raceauto's , protheses, enz. .d. – het is niet meer mogelijk om zonder koolstofvezel te doen.

...tot op de nanometer

We moesten echter wachten tot 1985, toen de mens de derde kristallijne vorm van koolstof creëerde, dit keer volledig kunstmatig: fullerenen. De schaal verandert radicaal en er begint een duik in de diepte van oneindig kleine hoeveelheden; de micron vezel wordt vervangen door een nanometer. Het voorvoegsel "nano" ("nein" in het Grieks) betekent 1 miljardste van een meter. Als je met atomen op nanometerschaal speelt, moet je de micronmetingen door 1000 delen! De ontdekking van fullerenen vond plaats in het laboratorium, toen astrofysici een antwoord probeerden te vinden op de vraag naar de aard van de oorsprong van lange koolstofhoudende ketens ontdekt in de ruimte.

Door gebruik te maken van hun kennis van moleculen beperkt tot tweedimensionale platte lagen grafiet, konden scheikundigen nieuwe 3D-moleculen creëren die nog steeds voor 100% uit koolstof bestonden, maar meer gevarieerde en interessante vormen aannamen: bollen, ellipsoïden, buizen, ringen, enz. . D. Welke creatiemethode werd gebruikt? Verdamping van een grafietschijf in een neutrale omgeving door laserablatie onder zeer specifieke omstandigheden. Het idee zelf, evenals de implementatie ervan, ligt niet binnen de mogelijkheden van iedereen... Dit werd officieel erkend in 1996, toen de Nobelprijs voor de Scheikunde werd toegekend aan het Anglo-Amerikaanse team van uitvinders bestaande uit Kroto, Curl, Smalley . En het was eerlijk.

Het allereerste product dat met deze generatiemethode werd verkregen, had aanvankelijk de vorm van een voetbal! Net als de bal was de structuur verdeeld in twintig zeshoeken, en net als grafiet was deze verbonden met twaalf vijfhoeken. Deze structuur, C60 genaamd, is slechts 0,7 nanometer dik en heeft een interne ruimte van slechts één nanometer, wat 200 miljoen keer kleiner is dan een echte voetbal! Het is echter juist dit kenmerk, dat verband houdt met de Angelsaksische cultuur van het onderzoeksteam, dat zal leiden tot de toekenning van een zeer originele naam aan het product. Ter ere van de architect Buckminster Fuller, de uitvinder van geodetische bollen, werd C60 enige tijd ‘futballeen’ genoemd, werd vervolgens het eerste buckminsterfullereen en werd later (gelukkig!) afgekort tot fullereen.

Nadat de deur naar de creatie van een innovatief materiaal was geopend, begon het proces: talloze onderzoeksgroepen haastten zich om fullerenen te verkrijgen en bedachten verschillende methoden voor de synthese ervan. Er begon een grote verscheidenheid aan fullereenvormen te verschijnen, effectiever dan de vorige, met even gevarieerde als uitstekende eigenschappen! Er wordt nu aangenomen dat er meer dan 250.000 soorten fulleronen zijn (en dit is niet het einde!), die nuttig kunnen zijn in elke industrie: farmaceutische producten, cosmetica, elektronica, fotovoltaïsche zonne-energie, smeermiddelen, enz. Na geld zijn nanodeeltjes de meest gebruikte dingen ter wereld.

En dan verschijnen nanobuisjes en uiteindelijk grafeen.


Na C60 was het mogelijk om “voetballen” van 70, 76, 84, 100, 200 atomen en zelfs 20 te verkrijgen, en dit was nog maar het begin. Onder invloed van de temperatuur delen koolstofmoleculen zich (je hoeft alleen maar te leren hoe je dit moet doen), en hun samenstellende atomen worden herenigd in een oneindige verscheidenheid aan vormen, en het lijkt erop dat elke configuratie mogelijk is. Ballen, megabuisjes, nanobuisjes, dimeren, polymeren, nanobolletjes, enz., de enorme familie van fullerenen groeit voortdurend, maar het zijn kleine nanobuisjes die tot op de dag van vandaag de belangrijkste hoop op serieuze industriële ontwikkeling blijven.

Als 1959 en 1985 de algemeen aanvaarde geboortedata zijn voor koolstofvezels en fullerenen, dan verschenen nanobuisjes ergens tussen 1991 en 1993. In 1991 verkreeg de ontdekker, de Japanner Sumio Iijima (NEC), tijdens zijn onderzoek naar de synthese van fullerenen de eerste meerwandige nanobuisjes, waarvan het aantal grafeenlagen varieerde van 2 tot 50. Hij ontving ze opnieuw in 1993. , maar nu zijn dit nanobuisjes met één wand, en tegelijkertijd bereikt Donald S. Bethune, IBM, dit ieder op zijn eigen manier.

In dit stadium van de moderne geschiedenis van koolstof verschijnt er een materiaal dat de wanden vormt van een nanobuis met enkele wand, namelijk grafeen. Dit is het beroemde tweedimensionale kristal, met een platte honingraatvormige laag en slechts één atoom dik, waarvan de gelaagdheid grafiet vormt. Wat eenvoudig leek gezien de natuurlijke oorsprong, was dat echter niet. Daarom moesten we wachten tot 2004, toen de Nederlander André Geim dit tapijt (of beter gezegd gaas?) van één atoom dik op een originele manier kon isoleren. Hij gebruikte ducttape om de materie laag voor laag af te pellen totdat hij een laag van 1 atoom dik had. Natuurlijk werden er andere methoden ontdekt om grafeen te produceren, maar hiervoor deelde Game in 2010 de Nobelprijs met Konstantin Novoselov, een Brit van Russische afkomst die net als hij in Groot-Brittannië werkte.

Vanuit een algemeen aanvaard standpunt zal grafeen in de toekomst een revolutie teweegbrengen in ons leven. Volgens sommigen is dit een technologische schok die qua omvang vergelijkbaar is met de overgang van de Bronstijd naar de IJzertijd! Grafeen, dat zowel flexibel als elastisch is, geleidt elektriciteit beter dan koper. Kleurloos grafeen is 6 keer lichter dan staal en 100 of zelfs 300 keer sterker. Dit unieke exemplaar kan alles: ondanks zijn formaat kan hij bijna alles verbeteren. Het is 1 miljoen keer dunner dan een haar - 3 miljoen lagen grafeen op elkaar gestapeld, niet dikker dan 1 mm. De hele planeet, te beginnen met Europa, geeft echter miljarden uit om te leren hoe dergelijke lagen tegen redelijke prijzen tot de vereiste grootte kunnen worden gesynthetiseerd. Helaas is het nog niet iedereen gelukt dit te bereiken!

Enkelwandige nanobuis

In de tussentijd is de lancering van de seriële synthese van grafeen nog niet tot stand gekomen, een andere vorm van fullereen met grafeenwanden begint aan kracht te winnen: een nanobuisje. Aanvankelijk verkreeg Iijima het met behulp van twee grafietelektroden: wanneer een elektrische stroom een ​​plasma van 6000 ° C creëert: de anode (+) verdampt en er wordt een zwartachtige afzetting gevormd op de kathode (-), dat wil zeggen nanobuisjes. Naast deze methode van "sputteren in boogontladingsplasma" zijn er nog andere: bij hoge en gemiddelde temperaturen, in gasvormige toestand. De resultaten zijn verschillend, hoewel de koolstofatomen zich onmiddellijk na hun vrijlating onmiddellijk beginnen te herenigen en bizarre vormen vormen. Zo zijn de meeste gesynthetiseerde nanobuisjes, als erfgenamen van de fullereenfamilie, aan de uiteinden "gesloten" met een of twee halfbolvormige doppen. Deze “voetbalhelften” kunnen worden bewaard of verwijderd om de tube aan beide uiteinden te openen en deze met andere producten te vullen en hem nog interessanter te maken.

Meerwandige nanobuisjes (MW, meerwandig) lijken qua structuur op Russische nestpoppen: veel buizen met afnemende diameter, in elkaar gedraaid, of een enkele laag om zichzelf heen gedraaid, als een boekrol. Er zijn ook gaten, gaten in cellulaire of andere structuren met 5 of 7 zijden, en soms onzuiverheden, afzettingen van metaalkatalysatoren, die bij deze operatie niet kunnen worden vermeden: voordat dergelijke nanobuisjes worden gebruikt, is hun zuivering of herstel vereist. Enkelwandige (SW, enkele wand) kunnen ook zeer verschillende structuren hebben (al dan niet spiraalvormig), waardoor ze een groot voordeel hebben op het gebied van mechanische of elektrische eigenschappen en de eigenschappen krijgen van een geleider of halfgeleider, enz.

Het beheersen van de methode van de synthese van nanobuisjes is geen reis langs een lange en kalme rivier, maar een uiterst complex proces waarbij met een zeer kleine hoeveelheid stof tegen hoge kosten moet worden gewerkt. Er zijn nog steeds veel moeilijkheden, en het is nog steeds erg moeilijk om deze te omzeilen. Dit werd duidelijk in 2013, toen de chemiegigant Bayer veel geld verloor door slechts drie jaar na de opening zijn fabriek in Leverkusen te sluiten voor de synthese van dit middel. 200 ton nanobuisjes per jaar. Het lijkt erop dat deze beslissing werd ingegeven door technische (koolstofvezel en kevlar worden nog steeds gebruikt) en commerciële concurrentie, evenals door een overschatting van de vraag, zowel in termen van volume als groeipercentage.

OCSiAl, kind van de siliciumtaiga

Zoals veel grote moderne uitvindingen met meerdere makers, is de ontdekking van nanobuisjes niet alleen te danken aan Iijima en Bethune. Veel teams werkten aan dit onderwerp, soms kenden ze elkaar niet eens en gebruikten ze verschillende methoden. Als we de geschiedenis van de kwestie nader bekijken, blijkt dat de Sovjetwetenschappers Radoesjkevitsj en Lukyanovich in 1952 al onderzoek deden naar buizen van 50 nanometer, en in 1976 onderzochten Oberlin, Endo en Koyama holle vezels en enkelwandige koolstofnanobuisjes (enkelwandige nanokoolstofnanobuizen). buizen, afgekort als SWCNT). In 1981 brachten Sovjetwetenschappers krullende, enkelwandige grafeenbuizen in beeld in het bereik van 0,6 tot 6 nm.

De Koude Oorlog en de bescherming van industriële geheimen vertraagden de verspreiding van informatie over nanobuisjes, wat de opkomst verklaart van OCSiAl, een Russisch bedrijf gevestigd in Akademgorodok, een onderzoeksstad op 20 km van Novosibirsk, in het hart van Siberië, op de wereldmarkt. Het werd in 1957 bedacht en gecreëerd door academicus Lavrentyev, doctor in de fysische en wiskundige wetenschappen. Nikita Chroesjtsjov steunde het creëren van de beste leef- en werkomstandigheden voor de elite van de Sovjetwetenschap. Verlaten als gevolg van de ineenstorting van de USSR, werd Academiestad later herboren in een nieuwe, modernere en kapitalistische vorm. Deze stad met 60.000 inwoners is tegenwoordig de thuisbasis van startups van wereldklasse. In 2006 werd daar een nieuw technologiepark gecreëerd. De dynamiek, creativiteit en hoge concentratie van geavanceerde ondernemingen stellen ons in staat om Academy Town de “Silicon Taiga” te noemen – naar analogie met Silicon Valley in Californië...

De naam OCSiAl zelf is een verwijzing naar de chemische symbolen van de belangrijkste elementen waarmee het bedrijf werkt: O – zuurstof, C6 – koolstof met atoomnummer 6, Si – silicium, Al – aluminium.

Drie Musketiers OCSiAl


Zoals de traditie vereist, waren er vier musketiers die OCSiAl oprichtten! Ook al is Mikhail Predtechensky officieel slechts de Senior Vice President, de auteur van de synthesetechnologie, hij is nog steeds een sleutelfiguur van het bedrijf en een man van de toekomst. Het was deze wetenschapper en uitvinder die een ‘plasmochemische’ reactor kon ontwikkelen die in staat was om enkelwandige koolstofnanobuisjes van de hoogste kwaliteit in grote volumes te synthetiseren, en dus tegen marktprijzen, die niemand ooit eerder is gelukt. Deze wetenschapper, de drager van de meest geavanceerde technologie, werd vergezeld door drie andere medeoprichters, financiers en managers van hetzelfde hoge niveau: Yuri Igorevich Koropachinsky, Oleg Igorevich Kirilov en nu woonachtig in Israël Joeri Zelvenski. Ze waren in staat het mondiale marktpotentieel te identificeren (geschat op 3 miljard dollar!) en de 350 miljoen dollar bijeen te brengen die nodig was om OCSiAl in 2009 op te richten, en vervolgens in 2013 patenten te registreren en een ‘Graphetron 1.0’-reactor te bouwen die in staat is om 10 ton single- ommuurde koolstofnanobuisjes per jaar.

« Grafetron 1.0 "werd in 2014 in omloop gebracht. En in 2016 had het bedrijf al 260 mensen in dienst, van wie 100 mensen wetenschappers van het hoogste niveau zijn die in de laboratoria van Akademgorodok werken. De rest van het personeel van het bedrijf bestaat uit ingenieurs en zakenmensen die over de hele wereld nanobuisjes onder het merk TUBALL verkopen. Om alle belangrijke markten te kunnen betreden, werden aanvankelijk kantoren geopend in Columbus, Incheon, Mumbai, Shenzhen, Hong Kong en Moskou. Het hoofdkantoor van het bedrijf is gevestigd in Luxemburg. Het team bestaat uit specialisten met verschillende profielen, aangezien er een groot aantal industrieën (en zeer uiteenlopende) zijn waarvan de producten door TUBALL kunnen worden “gestimuleerd”. Technische en commerciële specialisten hebben vertrouwen in de kwaliteit en de ruime toepassingsmogelijkheden van TUBALL. De marketing van OCSiAl legt de lat voor hen redelijk hoog. Het is de bedoeling dat in 2017 een tweede reactor wordt gelanceerd die 50 ton per jaar kan synthetiseren. De kortetermijnvoorspellingen zijn exponentieel, gebaseerd op 800 ton in 2020 en 3.000 ton in 2022.

En als de eerste twee grafetrons in 2018 elk 60 ton zullen gaan synthetiseren in Academgorodok, dan zou de derde in theorie dichter bij Europa en zijn belangrijkste markten moeten verschijnen. En aangezien de basisspecificaties “veel energie en gas vereisen”, wordt er al ingezet op de toekomstige locatie: waarom niet Luxemburg, aangezien het hoofdkantoor van het bedrijf hier gevestigd is?

Duidelijke superioriteit

Je zou dergelijke voorspellingen als te optimistisch kunnen beschouwen en bang zijn om in het water te vallen, zoals gebeurde met het bedrijf Bayer, maar in Luxemburg is niemand daar bang voor - TUBALL enkelwandige koolstofnanobuisjes zijn qua eigenschappen zo superieur aan meerwandige nanobuisjes . Dit is de overtuiging van Cristoph Siara, directeur Marketing en Sales bij Ocsial Europe, en Jean-Nicolas Helt, Lead Development and Customer Support, Elastomers, OCSiAl Europe. Aan de naam Christophe Siara zou je niet eens kunnen zeggen dat hij Duitser is. Christophe werd opgeleid als advocaat. Hij woont sinds 1983 in Frankrijk en zijn carrière beweegt zich van de ene geavanceerde industrie naar de andere, waardoor hij de expertise heeft om de meest complexe technologieën te begrijpen. Als Christophe Ciara over nanobuisjes spreekt, kan hij worden aangezien voor een echte scheikundige. Ingenieur Jean-Nicolas Helt komt uit Frankrijk. Hij behaalde een diploma natuurkunde aan de Universiteit van Nancy en vervolgens aan ESEM Orléans. Dankzij zijn uitstekende opleiding kon hij terecht bij het bedrijf Goodyear in Luxemburg. In de 17 jaar dat het bedrijf actief is, kan het bedrijf bogen op verschillende grote successen in de bandenindustrie voor zware vrachtwagens en personenauto's. In 2015 trad hij in dienst bij OCSiAl als projectmanager en was degene die zei dat TUBALL nanobuisjes iets waardevols konden toevoegen aan de bandenindustrie.

Christophe Siara legt uit dat de opkomst van TUBALL enkelwandige koolstofnanobuisjes een belangrijke doorbraak is voor de industrie in vergelijking met hun voorgangers, meerwandige nanobuisjes. Met een diameter variërend van 25 tot 40 nm, bestaande uit verschillende gedraaide lagen, zijn deze meerwandige nanobuisjes behoorlijk stijf van aard, wat een negatieve invloed heeft gehad op hun mechanische eigenschappen. In tegenstelling tot meerwandige nanobuisjes zijn TUBALL enkelwandige koolstofnanobuisjes dun, in de orde van 1,5 nm, en zeer lang > 5 micron: “Ze zijn 3.000 keer langer dan breed, wat duidelijker wordt met dit voorbeeld: dit is jouw tuinbesproeiingsslang 100 meter lang!

Dit betekent dat er ook een taalkundige kant aan de kwestie zit, want de namen “serpentine”, “noedels”, “holle en lange koolstofvezel” lijken veel geschikter dan een buis. Maar toch is een nanobuisje veel eenvoudiger!

Andere aspecten waarin TUBALL geen rivalen kent: de 1 nm dikke laag is absoluut gladde, amorfe koolstof< 10 %, остаточные неорганические примеси (Fer) < 15 % заключены в капсулах, то есть не действуют. В отличие от своих конкурентов TUBALL не требует никакой очистки. Кроме того к отличительным чертам нанотрубок TUBALL можно отнести: содержание углерода >85%, G/D-bandverhouding (Raman-spectrometrie) > 70, wat een uitstekende geleidbaarheid bevestigt. Alle resultaten worden bevestigd door onafhankelijke laboratoria, waaronder Intertek (mei 2014).

Ongelooflijke groei en aanzienlijke verbetering van alle parameters met een hermetische afdichting van synthetisch nitrilrubber.

Het zit allemaal in het proces

"Grafetron 1.0" Mikhail Predtechensky is waarschijnlijk een van die machines die een revolutie teweeg zullen brengen in de 21e eeuw. We hebben het over een reactor die grote volumes kan verwerken met behulp van precursoren en goedkope katalysatoren. Hoe het werkt? Dit is een absoluut geheim dat zeer goed wordt bewaakt. Christophe Siara en Jean-Nicolas Helt verzekerden lachend dat ze hier niets van wisten en het ook nooit zouden weten. En de allereerste van alle arbeidspapieren die ze ondertekenden, net als al het personeel, was een geheimhoudingsovereenkomst! " Grafetron 1.0 "zullen worden getoond tijdens een wetenschappelijke conferentie in november, maar we durven te wedden dat het ons niets zal opleveren. Maar het allerbelangrijkste is dat het een continue stroom van synthese van hoogwaardige enkelwandige koolstofnanobuisjes tegen redelijke prijzen mogelijk maakt. Er wordt geschat dat deze jaarlijkse 10 ton vandaag de dag 90% van de mondiale synthese van enkelwandige nanobuisjes vertegenwoordigt. Vanaf 2017 is het bedrijf van plan om 50 ton extra nanobuisjes te gaan synthetiseren!

Prijzen voor TUBALL-producten? – Het is verboden om hierover te praten. Handels geheim. Alleen de brochures van het bedrijf onthullen het: er bestaat het gevoel dat dit ver verwijderd is van de juiste schattingen, maar het geeft in ieder geval een idee van de geschatte kosten van nanobuisjes: verzending vanuit Novosibirsk kost 8 dollar per gram voor een klein bestelvolume, 2 dollar voor grote bestelling. OCSiAl verzekert bescheiden dat het de prijs minstens 25 keer heeft verlaagd.

Deze hectische race om de productievolumes te vergroten wordt verklaard door de veelzijdigheid van TUBALL. OCSiAl verkoopt niet alleen koolstofnanobuisjes, maar een vrijwel universeel additief dat in staat is een explosieve groei te bewerkstelligen in de eigenschappen van ongeveer 70% van de bruikbare materialen op onze planeet.

Veelzijdig additief, ongelooflijke prestaties

Het noemen van de eigenschappen van TUBALL is vrijwel hetzelfde als het doen van de splitsingen: hoe verder je duikt in diepten die alleen onder een microscoop zichtbaar zijn, hoe hoger je de hoogten van efficiëntie bereikt! Laten we het even kort bekijken: de thermische stabiliteit ervan blijft tot 1000°C, het is 100 keer sterker dan staal, en de oppervlakte ervan gaat elk redelijk inzicht te boven: 1 gram van het ontwikkelde oppervlak van een TUBALL-nanobuis bedekt twee basketbalvelden, dat wil zeggen: 3.000 m 2 .

Dit alles zou van weinig nut zijn zonder één extra fundamentele eigenschap: de verbazingwekkende verspreidbaarheid ervan. Dankzij zeer dunne en lange buizen creëert TUBALL talloze netwerken die zich onzichtbaar vermengen met andere elementen en deze sterker maken. Een belachelijk volume TUBALL, van 1/1.000 tot 1/10.000 van het totale gewicht, is dus voldoende om de materiaaleigenschappen een explosieve toename te geven. Single Wall Nanotube (SW) is de ware OPLOSSING voor veel van de technologische doorbraken van de 21e eeuw.

Een klein flesje met 1 gram TUBALL, dat het bedrijf OCSiAl in de hand van de bezoeker plaatst zodat hij het product beter kan “beoordelen”, is een garantie voor 100% succes wanneer ze in detail over de inhoud beginnen te praten: 1015 stuks, dat wil zeggen, 1.000.000.000.000.000 (een miljoen miljard) buizen! Als ze achter elkaar zouden worden geplaatst, zou de resulterende lengte ongeveer 50 miljoen kilometer bedragen!

OCSiAl geeft kort alles weer waar TUBALL toe in staat is in één diagram in de vorm van een prachtige bloem met talloze bloemblaadjes. Door de eigenschappen, geleidbaarheid, sterkte, chemische neutraliteit, transparantie etc. te selecteren of bij elkaar op te tellen, open je een groot aantal mogelijke toepassingen. TUBALL is werkelijk de “universele versterker” die het beweert te zijn.

En om het gebruik van een geleidend additief te vergemakkelijken, worden TUBALL-nanobuisjes zelden alleen in poedervorm geleverd. Ze worden aangeboden in veel handigere gebruiksmogelijkheden: in de vorm van vloeistof, polymeer, olie, rubber, enz. zelfs in de vorm van een suspensie in oplosmiddelen. Dit zorgt voor gemakkelijk mengen en dispergeren. Zo geven 50 gram TUBALL nanobuisjes opgelost in 50 kg epoxyhars of polyester de materialen direct geleidbaarheid, wat erg praktisch is voor vloeren die zelfs gekleurd kunnen worden!

Flexibiliteit – veiligheid

Kant-en-klare concentraten hebben nog een voordeel: ze zorgen voor veiligheid bij het werken met nanobuisjes. Door hun primaire vorm en zeer kleine formaat kunnen ze het hart van de cellen van het menselijk lichaam bereiken, dus er moeten voorzorgsmaatregelen worden genomen, zelfs als koolstof niet giftig is voor mensen. Nanobuisjes die in de matrix worden geïntroduceerd, kunnen niet in de atmosfeer verdampen, wat het gebruik ervan veilig maakt en degenen geruststelt die bang zijn voor kankerverwekkende effecten zoals asbest. De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) suggereert dat nanobuisjes vergelijkbaar zijn met vezels. De kenmerken van TUBALL enkelwandige koolstofnanobuisjes zijn echter heel anders dan de kenmerken van meerwandige koolstofnanobuisjes die we in het begin noemden. “Voor alle duidelijkheid”, vat Christophe Ciara samen, “als meerwandige koolstofnanobuisjes een golfclub zijn, dan zijn de enkelwandige koolstofnanobuisjes van TUBALL een sprinklerslang. Door de vaste vorm en de aanwezigheid van ruwheid kunnen meerwandige koolstofnanobuisjes de cel binnendringen en zich eraan hechten. Maar tegelijkertijd creëert de harde en inflexibele vorm van meerwandige nanobuisjes een aantal problemen die kunnen worden vermeden door flexibele en lange enkelwandige TUBALL-nanobuisjes te gebruiken, die vanwege hun eigenschappen niet in de cel zelf doordringen. .

OCSiAl is zeer alert op de studie van dit probleem en volgt daarom al het onderzoek dat ter wereld wordt uitgevoerd. In het bijzonder houdt het bedrijf sinds 2008 toezicht op het werk van BAuA, een Duits overheidsinstituut dat verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van industriële normen, en in het bijzonder voor het bepalen van de kenmerken van producten om de veiligheid van werknemers te garanderen. TUBALL werd in de eenvoudigste vorm ingenomen: poeder, dat door 10% van de klanten wordt gekocht. Nanobuisjes hebben positieve resultaten opgeleverd met betrekking tot de veiligheid van hun gebruik voor het milieu. Er was alleen één probleem: er was geen manier om de lucht van nanobuisjes te zuiveren door middel van filtratie, omdat ze door hun te kleine formaat alle bekende materialen ontweken! In de tussentijd is de zoektocht naar een oplossing aan de gang (ze werken eraan), OCSiAl vergeet het voorzorgsbeginsel niet en stelt voor om de meest effectieve vormen van bescherming te gebruiken voor de TUBALL-poedervorm, die op zichzelf al verplicht zijn wanneer werken met de gevaarlijkste chemische reagentia: een masker dat het hele gezicht bedekt, overalls, handschoenen, laarzen. Voor de vloeibare samenstelling van de stof zijn een bril, handschoenen en overall voldoende.

OCSiAl geeft ook om de integriteit van de levenscyclus van haar producten. Het nieuws is bemoedigend omdat de nanobuisjes, eenmaal geïntroduceerd in een matrix en vervolgens in nieuwe materialen, daar blijven. Omdat ze elke graad van bescherming hebben gekregen tegen de gevaren die ze kunnen opleveren, worden TUBALL-nanobuisjes een ‘normaal’ chemisch reagens dat onderworpen is aan de strengste regelgeving die onlangs is ingevoerd. Met genoegen, maar zonder veel verrassing, ontving OCSiAl in oktober de REACH-certificering, waardoor het voortaan tot 10 ton nanobuisjes per jaar aan de Europese markt kan leveren.

De grote bandenrevolutie

Sinds het moment dat banden verschenen, zijn alle fabrikanten op zoek geweest naar technologieën die de eigenschappen van het materiaal konden verbeteren. Van additieven zoals klei en talk tot koolstof, we streven er nog steeds naar om de sterkte van de banden te verbeteren. De opkomst van silicium in 1991 veranderde de bestaande situatie op de markt volledig. Silicium maakt het mogelijk dat rubber universele proporties krijgt die zich aanpassen aan specifieke belastingen. Silicium is een essentiële voorwaarde geworden voor de prestaties van banden, maar dit alles is niets vergeleken met de scherpe sprong die zal plaatsvinden nadat TUBALL de bandenindustrie betreedt.

Met meer dan 17 jaar ervaring bij Goodyear zit Jean-Nicolas Helt precies op koers. Het diagram op pagina 53 toont de spreiding van TUBALL in bandencompounds. Aan de linkerkant zijn twee zwarte koolstofdeeltjes te zien die behoorlijk geïsoleerd lijken in de polymeerkubus. De centrale afbeelding toont de resultaten van het versterken van een product met behulp van meerwandige koolstofnanobuisjes - tamelijk kort, hard en gestapeld. Als je naar de foto kijkt, kun je zien dat de winst vrij zwak en ineffectief bleek te zijn. Aan de rechterkant vult TUBALL, in een verhouding van slechts 1/1.000 tot het totale gewicht, de kubus voor 100% met een zeer dicht netwerk van enkelwandige koolstofnanobuisjes die nauw met elkaar verweven zijn. Deze mini-filler heeft dus een groot versterkend effect dankzij het feit dat het een hoge structuur heeft en een grotere samenhang van de componenten mogelijk maakt. In ieder geval hebben dergelijke versterkte verbindingen een beter effect, waardoor de mobiliteit van componenten en dus de slijtage ervan wordt verminderd. Het is heel logisch dat dit zo is Een 3D-netwerk van enkelwandige koolstofnanobuisjes vormt een tweede skelet in het bandrubber, waardoor het slijtageproces wordt vertraagd. Bovendien is TUBALL chemisch neutraal, dus beter bestand tegen hitte, ultraviolette straling en koolwaterstofvervuiling dan andere uitgangscomponenten.

“Wees voorzichtig”, zegt Jean-Nicolas Helt, “TUBALL gaat net als silicium met roet om. De band behoudt zijn basiseigenschappen. Bovendien beginnen de eigenschappen aanzienlijk te verbeteren als zelfs zeer kleine hoeveelheden enkelwandige koolstofnanobuisjes worden toegevoegd. Een ander voordeel van TUBALL is datdat het een extreem sterke geleider is, waardoor het mogelijk is om een ​​busafdekking te maken die 100% silicium is maar ook 100% statische elektriciteit geleidt, in plaats van deze te moeten isoleren. Dit elimineert de noodzaak voor een strook NdC-rubber langs de evenaar van premiumbanden, waardoor statische elektriciteit in de grond vrijkomt.” Dit is opnieuw een aanzienlijke winst.

Diagram A. De blauwe spinnen vertegenwoordigen de prestatie van het klassieke mengsel, de roze gebieden tonen de winst die kan worden verkregen door toevoeging van silicium. Circuits om te vergelijken met het volgende Circuit B, dat dit probleem aanpakt door TUBALL toe te voegen.

Schema B. Het principe is hetzelfde als in het vorige diagram A, de waardenschaal is hetzelfde. Er kan worden geconcludeerd dat de roze oppervlakken verbeterde prestaties laten zien door de toevoeging van TUBALL.

Polymeren met toevoeging van TUBALL

TUBALL heeft op polymeren hetzelfde effect als op versterkende vulstoffen. Zo kunnen ingenieurs banden gemakkelijk “a la carte” ontwikkelen door een of ander polymeer toe te voegen, waarbij een of ander kenmerk behouden blijft, dat op geen enkele manier zal worden aangetast door de krachtige ontwikkeling van andere indicatoren. De tekortkomingen van sommige banden op droog of nat wegdek kunnen bijvoorbeeld worden gecompenseerd door het gebruik van TUBALL. Het zal ook een goede optie zijn voor motorbanden, omdat het tegelijkertijd de grip en slijtage verbetert. “Het kan alles verbeteren”, vat Jean-Nicolas Helt samen. Maar wat is de prijs? Gezien het verwaarloosbare volume dat aan het mengsel moet worden toegevoegd (een paar duizendste van het totale gewicht) en de redelijke kosten van TUBALL, schat Jean-Nicolas Helt dat de productiekosten zullen stijgen van 2 naar 3 dollar per band, wat relatief duur maar beheersbaar is. voor een premium band, die de eerste zou moeten zijn die TUBALL zou moeten gebruiken, aangezien het verhogen van de efficiëntie voor hen op de eerste plaats komt. En dit is absoluut waar, omdat een groot aantal fabrikanten al naar TUBALL kijkt, vooral nadat ze positieve resultaten hebben ontvangen van tests die zijn uitgevoerd in onafhankelijke laboratoria, bijvoorbeeld in het nummer 1 laboratorium ter wereld Smiters. Toen werden alle beweringen van OCSiAl getest en bevestigd, inclusief het feit dat het overschrijden van de door TUBALL voorgeschreven kleine volumes geen enkele verbetering oplevert. “Je hoeft niet meer toe te voegen dan je nodig hebt”, is de conclusie!

De conclusie stelt ook dat het doseren van TUBALL voor mengsels heel eenvoudig is, aangezien het proces zelf niet verandert (mengen, extruderen, koken, etc.) en je alleen de TUBALL-tank hoeft te openen om de inhoud in de Banbury-mixer te gieten. OCSiAl levert zijn TUBALL MATRIX 603 op de markt in de vorm van een kant-en-klaar concentraat - nanobuisjes gemengd met gesynthetiseerde rubbers (natuurlijk, styreenbutadieen, nitrilbutadieen, enz.) plus tridecylalcoholethoxylaat (TDAE) procesolie, die de meeste vaak gebruikt voor banden. TUBALL bestaat ook in de vorm van een suspensie in een breed scala aan oplosmiddelen (MEK, isopropanol, ethyleenglycol, ethylacetaat, N-methylpyrrolidon, glycerine of zelfs water). Ideaal in termen van veiligheid, deze formuleringen zijn uiterst eenvoudig te gebruiken.

Deze oplossing is eenvoudig en ideaal in gebruik en kan nog eenvoudiger worden gemaakt door TUBALL aan het polymeer toe te voegen op het moment van polymerisatie: er zijn geen extra handelingen meer nodig tijdens het mengen! Deze methode om een ​​polymeer te introduceren op het “moment van geboorte” verschuift het probleem van de fabrikant naar de leverancier van het gesynthetiseerde rubber, maar OCSiAl heeft hier al over nagedacht en is een samenwerking aangegaan met LANXESS. Met andere woorden, TUBALL bereidt zich voor om via twee deuren tegelijk de bandenindustrie te betreden, dat wil zeggen dat de vooruitgang nog sneller zal zijn.

Zelfs als de toevoeging van natuurlijke rubbers alleen kan plaatsvinden op het moment van mengen, zal het gebruik van TUBALL uitstekende vooruitzichten bieden, zelfs als het direct tijdens het productieproces wordt toegevoegd aan andere gesynthetiseerde rubbers, isopreen of nitrilbutadieen. Deze laatste heeft een echte sprong voorwaarts gemaakt in de sector en is op alle gebieden naar een nieuw niveau van pakkingsterkte gegaan... Simpel gezegd: de markt voor banden, industrieel rubber (latex-chirurgenhandschoenen zijn overgestapt op het gebruik van TUBALL), polymeren, elastomeren, composieten , batterijen, fotovoltaïsche zonne-energie, flexibele schermen, magnetische inkt, antistatisch beton, verf, keramiek, koper, halfgeleiders, glas-in-lood, plakband, enz. – dit zijn allemaal doelgebieden waar TUBALL toegepast kan worden. En nu begrijpen we alle vooruitzichten voor het project beter." Grafetron 50", gericht op het bieden van explosieve groei in de kenmerken van 70% van de bestaande producten in de industrie...

Diagram C. De rechte lijn hieronder geeft de klassieke mengsels weer, de groene stippellijn zijn de mengsels waaraan silicium is toegevoegd, en de blauwe dwarslijn toont de verbetering van de bandprestaties bij toevoeging van TUBALL.

Al concurrentie...

Voor degenen die nog steeds twijfelen aan de voordelen die bandenfabrikanten kunnen behalen bij het gebruik van TUBALL, presenteert Jean-Nicolas Helt drie schema's. De eerste twee zijn klassieke ‘spinnen’ die de prestatie-indicatoren van drie verschillende soorten banden vergelijken: conventionele banden, verbeterd dankzij silicium en banden met de toevoeging van TUBALL. De eerste tabel (A) visualiseert in de vorm van lichtroze zones is de doorbraak die wordt bereikt door het gebruik van silicium uiteraard belangrijk, maar heeft nog lang geen invloed op het hele scala aan bandeigenschappen.

De tweede (B) is gebaseerd op hetzelfde principe, maar deze keer nemen de lichtroze TUBALL-zones het grootste deel van het gebied in beslag, wat een aanzienlijke prestatieverbetering in bijna alle parameters laat zien. Bovendien zijn de lage hoeveelheden materiaal die worden gebruikt verrassend: 0,2% in het natuurrubberconcentraat, 0,1% voor de andere twee, in de vorm van olieconcentraat.

Het derde schema (C) is al lang bekend in de gespecialiseerde pers. Twee rechte lijnen bepalen de kenmerken van "roet" -mengsels (onder, donkerblauw) en de effectievere "silicium" -indicatoren, die worden gemarkeerd in groene stippellijnen. De derde rechte lijn, die duidelijk van bovenaf loopt, visualiseert mengsels met de toevoeging van TUBALL - bovenaan blauw gemarkeerd. De grafiek laat duidelijk de voordelen zien van enkelwandige koolstofnanobuisjes.

Sommige fabrikanten zijn al bereid proactief te zijn door het gebruik van nanokoolstof aan te kondigen. Dit betekent niet dat andere fabrikanten niet al nanokoolstof gebruiken, ook al hebben ze het daar niet over... Sinds begin dit jaar verkoopt fietsbandenfabrikant Vittoria banden met toevoeging van grafeen, het basismateriaal voor TUBALL nanobuisjes. (ga terug naar het begin van het artikel als je het al vergeten bent!). Vittoria gebruikt het in de vorm van lagen die in de band zijn ingebed en beweert een tot nu toe onhaalbaar compromis te hebben gevonden: tegelijkertijd de rolweerstand verbeteren en tegelijkertijd lekbestendigheid bereiken, een belangrijk kenmerk voor fietsers. "Verbeter alles in één keer", - nu bevestigt de concurrentie de woorden van Jean-Nicolas Elt...

Het tweede nieuws kwam uit China, waar in augustus een overeenkomst werd gesloten tussen Sentury Tire en Huago over de productievoorwaarden van banden met toevoeging van grafeen. Hoe weten we nog niet, maar de technologie zal in ieder geval zeker anders zijn dan die van Vittoria-banden. Dergelijk nieuws duidt op algemene vooruitgang: rolweerstand en kilometerstand vermenigvuldigd met 1,5. En toen toonden twee vertegenwoordigers van het bedrijf hun grafeen “eerstgeborene” op een grote bijeenkomst van koolstofspecialisten “GrapChina” op 22 september. Tegelijkertijd en tijdens dezelfde bijeenkomst maakte de fabrikant Shangdong officieel bekend dat hij nu banden gaat produceren met toevoeging van grafeen. En iedereen die het gebruikt, haalt het feit aan dat het is uitgevonden door Nobelprijswinnaars. Dit is een argument in het debat dat TUBALL niet kan claimen, ook al waren nanobuisjes vóór grafeen uitgevonden!

We durven te wedden dat het aantal van dit soort nieuws zeer snel zal groeien. 2016 markeert het startpunt voor koolstof in de bandenindustrie. En deze verschuiving is nog maar net begonnen, en OCSiAl loopt met zijn nanobuisjes voorop in deze transformatie. En dit is een proces dat onze aandacht verdient... Voor de komende jaren...

Jean-Pierre Gosselin

Koolstofnanobuisjes CNT's zijn bijzondere cilindrische moleculen met een diameter van ongeveer een halve nanometer en een lengte tot enkele micrometers. Koolstofnanobuisjes zijn holle, langwerpige cilindrische structuren met een diameter in de orde van enkele tot tientallen nanometers; de lengte van traditionele nanobuisjes wordt berekend in microns, hoewel in laboratoria al structuren met een lengte in de orde van millimeters en zelfs centimeters bestaan; verkregen. De onderlinge oriëntatie van het hexagonale grafietnetwerk en de lengteas van het nanobuisje bepaalt een zeer belangrijke...

Als dit werk je niet bevalt, staat onderaan de pagina een lijst met soortgelijke werken. Je kunt ook de zoekknop gebruiken

INVOERING

Tegenwoordig heeft de technologie een zodanig niveau van perfectie bereikt dat microcomponenten steeds minder worden gebruikt in de moderne technologie en geleidelijk worden vervangen door nanocomponenten. Dit bevestigt de trend naar een grotere miniaturisering van elektronische apparaten. Er is behoefte aan een nieuw integratieniveau: het nanoniveau. Als gevolg hiervan was er behoefte aan de productie van transistors en draden met afmetingen in het bereik van 1 tot 20 nanometer. De oplossing voor dit probleem lag in 1985. de ontdekking van nanobuisjes, maar ze werden pas in 1990 bestudeerd, toen ze leerden ze in voldoende hoeveelheden te produceren.

Koolstofnanobuisjes (CNT's) zijn bijzondere cilindrische moleculen

met een diameter van ongeveer een halve nanometer en een lengte tot enkele micrometers. Deze polymeersystemen werden voor het eerst ontdekt als bijproducten van de synthese van fullereen C 60 . Er worden echter al elektronische apparaten met nanometergrootte (moleculair) gemaakt op basis van koolstofnanobuisjes. Er wordt verwacht dat ze in de nabije toekomst elementen met een soortgelijk doel zullen vervangen in de elektronische circuits van verschillende apparaten, waaronder moderne computers.

1. Het concept van koolstofnanobuisjes

In 1991 bestudeerde de Japanse onderzoeker Izhima de afzetting die op de kathode werd gevormd wanneer grafiet in een elektrische boog werd gesputterd. Zijn aandacht werd getrokken door de ongewone structuur van het sediment, bestaande uit microscopisch kleine draden en vezels. Metingen uitgevoerd met een elektronenmicroscoop toonden aan dat de diameter van dergelijke draden niet groter is dan enkele nanometers, en de lengte varieert van één tot enkele microns. Nadat ze erin waren geslaagd een dunne buis langs de lengteas door te snijden, ontdekten de wetenschappers dat deze uit een of meer lagen bestaat, elk een hexagonaal grafietnetwerk, waarvan de basis bestaat uit zeshoeken met koolstofatomen die zich op de hoekpunten van de buis bevinden. de hoeken. In alle gevallen is de afstand tussen de lagen 0,34 nm, dat wil zeggen hetzelfde als tussen de lagen in kristallijn grafiet. In de regel zijn de bovenste uiteinden van de buizen afgesloten met meerlaagse halfbolvormige doppen, waarvan elke laag is samengesteld uit zeshoeken en vijfhoeken, die doen denken aan de structuur van een half fullereenmolecuul.

Uitgebreide structuren bestaande uit gevouwen hexagonale netwerken met koolstofatomen op de knooppunten worden nanobuisjes genoemd. De ontdekking van nanobuisjes heeft grote belangstelling gewekt onder onderzoekers die betrokken zijn bij het creëren van materialen en structuren met ongebruikelijke fysisch-chemische eigenschappen.

Koolstofnanobuisjes zijn holle, langwerpige cilindrische structuren met een diameter in de orde van enkele tot tientallen nanometers (de lengte van traditionele nanobuisjes wordt gemeten in microns, hoewel structuren in de orde van millimeters en zelfs centimeters al in laboratoria worden geproduceerd ).

Een ideale nanobuis is een cilinder die wordt verkregen door een plat zeshoekig gaas van grafiet zonder naden op te rollen.De onderlinge oriëntatie van het hexagonale grafietnetwerk en de lengteas van het nanobuisje bepaalt een zeer belangrijk structureel kenmerk van het nanobuisje, namelijk chiraliteit. Chiraliteit wordt gekenmerkt door twee gehele getallen ( m, n ), die de locatie aangeven van de rasterzeshoek die, als gevolg van het vouwen, zou moeten samenvallen met de zeshoek die zich in de oorsprong bevindt.

Dit wordt geïllustreerd in figuur 1.1, die een deel van een hexagonaal grafietnetwerk toont, waarvan het rollen tot een cilinder leidt tot de vorming van enkelwandige nanobuisjes met verschillende chiraliteit. De chiraliteit van een nanobuisje kan ook op unieke wijze worden bepaald door de hoek a die wordt gevormd door de vouwrichting van het nanobuisje en de richting waarin aangrenzende zeshoeken een gemeenschappelijke zijde delen. Deze richtingen worden ook weergegeven in figuur 1.1. Er zijn veel opties voor het vouwen van nanobuisjes, maar onder hen vallen de opties op die niet resulteren in vervorming van de structuur van het hexagonale netwerk. Deze richtingen komen overeen met de hoeken a = 0 en a = 30°, wat overeenkomt met chiraliteit(m, 0) en (2 n, n).

De chiraliteitsindices van een enkellaagse buis bepalen de diameter ervan D:

waar d0 = 0,142 nm afstand tussen koolstofatomen in het hexagonale netwerk van grafiet. Met de bovenstaande uitdrukking kunnen we de chiraliteit ervan bepalen op basis van de diameter van de nanobuis.

Afb.1.1. Een model van de vorming van nanobuisjes met verschillende chiraliteiten wanneer een hexagonaal grafietnetwerk in een cilinder wordt gerold.

Koolstofnanobuisjes worden gekenmerkt door een grote verscheidenheid aan vormen. Ze kunnen bijvoorbeeld enkelwandig of meerwandig zijn (enkellaags of meerlaags), recht of spiraalvormig, lang en kort, enz.

In afbeelding 1.2. en Fig. 1.3 tonen respectievelijk het model van enkelwandige koolstofnanobuisjes en het model van meerwandige koolstofnanobuisjes.

Fig. 1.2 Model van een enkelwandige koolstofnanobuis

Fig. 1.3. Model van een meerwandige koolstofnanobuis

Meerwandige koolstofnanobuisjes verschillen van enkelwandige koolstofnanobuisjes in een grotere verscheidenheid aan vormen en configuraties. Mogelijke typen transversale structuur van meerwandige nanobuisjes worden getoond in figuur 1.4.a en b. De structuur getoond in figuur 1.4.a, ontving de naam van de Russische nestpop. Het bestaat uit enkelwandige cilindrische nanobuisjes die coaxiaal in elkaar zijn genest. De structuur getoond in Fig. 1.4.b, lijkt op een opgerolde rol of scroll. Voor alle beschouwde structuren is de gemiddelde afstand tussen aangrenzende lagen, zoals bij grafiet, 0,34 nm.

Afb.1.4. Modellen van de dwarsdoorsnede van meerwandige nanobuisjes: a - Russische nestpop, b scrollen.

Naarmate het aantal lagen toeneemt, worden afwijkingen van de ideale cilindrische vorm steeds duidelijker. In sommige gevallen heeft de buitenschaal de vorm van een veelvlak. Soms is de oppervlaktelaag een structuur met een ongeordende rangschikking van koolstofatomen. In andere gevallen worden defecten in de vorm van vijfhoeken en zevenhoeken gevormd op het ideale hexagonale netwerk van de buitenste laag van de nanobuis, wat leidt tot verstoring van de cilindrische vorm. De aanwezigheid van een vijfhoek veroorzaakt een convexe, en een zevenhoek, een concave bocht van het cilindrische oppervlak van de nanobuis. Dergelijke defecten leiden tot het verschijnen van gebogen en spiraalvormige nanobuisjes, die tijdens het groeiproces onderling kronkelen en draaien, waardoor lussen en andere uitgebreide structuren met een complexe vorm worden gevormd.

Belangrijk is dat de nanobuisjes ongewoon sterk bleken te zijn wat betreft spanning en buiging. Onder invloed van hoge mechanische spanningen scheuren of breken nanobuisjes niet, maar wordt hun structuur eenvoudigweg herschikt. Trouwens, aangezien we het hebben over de sterkte van nanobuisjes, is het interessant om een ​​van de nieuwste onderzoeken naar de aard van deze eigenschap op te merken.

Onderzoekers van Rice University, onder leiding van Boris Jacobson, hebben ontdekt dat koolstofnanobuisjes zich gedragen als ‘slimme, zelfherstellende structuren’ (de studie werd op 16 februari 2007 gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters). Onder kritische mechanische spanning en vervorming veroorzaakt door temperatuurveranderingen of radioactieve straling kunnen nanobuisjes zichzelf dus ‘repareren’. Het blijkt dat nanobuisjes naast cellen met zes koolstofatomen ook clusters van vijf en zeven atomen bevatten. Deze 5/7-atoomcellen vertonen ongebruikelijk gedrag en bewegen cyclisch langs het oppervlak van de koolstofnanobuis, zoals stoomschepen op zee. Wanneer er schade optreedt op de plaats van het defect, nemen deze cellen deel aan de “wondgenezing” door energie te herverdelen.

Bovendien vertonen nanobuisjes veel onverwachte elektrische, magnetische en optische eigenschappen, die al het onderwerp zijn geworden van een aantal onderzoeken. Een bijzonder kenmerk van koolstofnanobuisjes is hun elektrische geleidbaarheid, die hoger bleek te zijn dan die van alle bekende geleiders. Ze hebben ook een uitstekende thermische geleidbaarheid, zijn chemisch stabiel en, het meest interessant, kunnen halfgeleidereigenschappen verwerven. In termen van elektronische eigenschappen kunnen koolstofnanobuisjes zich gedragen als metalen of halfgeleiders, wat wordt bepaald door de oriëntatie van de koolstofpolygonen ten opzichte van de buisas.

Nanobuisjes hebben de neiging stevig aan elkaar te plakken en vormen arrays bestaande uit metalen en halfgeleidernanobuisjes. Tot nu toe is een moeilijke taak de synthese van een reeks van uitsluitend halfgeleidernanobuisjes of de scheiding van halfgeleidernanobuisjes van metalen nanobuisjes.

2. Eigenschappen van koolstofnanobuisjes

Capillaire effecten

Om capillaire effecten waar te nemen, is het noodzakelijk om de nanobuisjes te openen, dat wil zeggen om het bovenste deel van de dop te verwijderen. Gelukkig is deze handeling vrij eenvoudig. Eén manier om de doppen te verwijderen is door de nanobuisjes enkele uren bij een temperatuur van 850 ° C uit te gloeien in een stroom kooldioxide. Als gevolg van oxidatie wordt ongeveer 10% van alle nanobuisjes open. Een andere manier om de gesloten uiteinden van nanobuisjes te vernietigen is door ze 4,5 uur in geconcentreerd salpeterzuur te laten weken bij een temperatuur van 240°C. Als gevolg van deze behandeling gaat 80% van de nanobuisjes open.

De eerste onderzoeken naar capillaire verschijnselen hebben aangetoond dat er een verband bestaat tussen de waarde van de oppervlaktespanning van de vloeistof en de mogelijkheid dat deze in het nanobuiskanaal wordt gezogen. Het bleek dat de vloeistof het nanobuiskanaal binnendringt als de oppervlaktespanning niet hoger is dan 200 mN/m. Om stoffen in nanobuisjes te introduceren, worden daarom oplosmiddelen met een lage oppervlaktespanning gebruikt. Om bijvoorbeeld nanobuisjes van sommige metalen in het kanaal te brengen, wordt geconcentreerd salpeterzuur gebruikt, waarvan de oppervlaktespanning laag is (43 mN/m). Vervolgens wordt gedurende 4 uur bij 400°C in een waterstofatmosfeer gegloeid, wat leidt tot de reductie van het metaal. Op deze manier werden nanobuisjes verkregen die nikkel, kobalt en ijzer bevatten.

Samen met metalen kunnen koolstofnanobuisjes worden gevuld met gasvormige stoffen, zoals moleculaire waterstof. Dit vermogen is van groot praktisch belang, omdat het de mogelijkheid opent voor een veilige opslag van waterstof, dat kan worden gebruikt als milieuvriendelijke brandstof in verbrandingsmotoren.

Elektrische weerstand van koolstofnanobuisjes

Vanwege de kleine omvang van koolstofnanobuisjes was het pas in 1996 mogelijk om hun elektrische weerstand p rechtstreeks te meten met behulp van de vier-contactmethode. Om de experimentele vaardigheid die hiervoor nodig is te begrijpen, zullen we een korte beschrijving van deze methode geven. Op het gepolijste oppervlak van siliciumoxide werden in vacuüm gouden strepen aangebracht. In de ruimte daartussen werden nanobuisjes van 2 x 3 µm lang afgezet. Vervolgens werden vier wolfraamgeleiders van 80 nm dik aangebracht op een van de voor meting geselecteerde nanobuisjes, waarvan de locatie wordt weergegeven in figuur 2. Elk van de wolfraamgeleiders had contact met een van de gouden strips. De afstand tussen de contacten op het nanobuisje varieerde van 0,3 tot 1 μm. De resultaten van directe metingen lieten zien dat de soortelijke weerstand van nanobuisjes binnen significante grenzen kan variëren van 5,1 tot 10-6 tot 0,8 Ohm/cm. De minimale p-waarde is een orde van grootte lager dan die van grafiet. De meeste nanobuisjes hebben een metallische geleidbaarheid, en een kleiner deel vertoont de eigenschappen van een halfgeleider met een bandafstand van 0,1 tot 0,3 eV.

Fig. 2. Schema voor het meten van de elektrische weerstand van een individuele nanobuis met behulp van de vier-sondemethode: 1 - siliciumoxidesubstraat, 2 - gouden contactvlakken, 3 - wolfraam geleidende sporen, 4 - koolstof nanobuis.

3. Methoden voor de synthese van koolstofnanobuisjes

3.1. Elektrische boogmethode

De meest gebruikte methode voor het produceren van nanobuisjes is

met behulp van thermisch spuiten van een grafietelektrode in plasma

boogontlading brandend in een heliumatmosfeer.

Bij een boogontlading tussen de anode en kathode bij een spanning van 20-25V, een gestabiliseerde gelijkstroom van 50-100A, een afstand tussen de elektroden van 0,5-2 mm en een druk van He 100-500 Torr, ontstaat er intens sputteren van de anode materiaal ontstaat. Een deel van de sputterproducten die grafiet, roet en fullerenen bevatten, wordt afgezet op de gekoelde wanden van de kamer, terwijl het deel dat grafiet en meerwandige koolstofnanobuisjes (MWNT's) bevat, wordt afgezet op het oppervlak van de kathode. De opbrengst aan nanobuisjes wordt door vele factoren beïnvloed.

De belangrijkste is de He-druk in de reactiekamer, die onder optimale omstandigheden vanuit het oogpunt van NT-productie 500 Torr bedraagt, en niet 100-150 Torr, zoals in het geval van fullerenen. Een andere even belangrijke factor is de boogstroom: het maximale LT-vermogen wordt waargenomen bij de minimaal mogelijke boogstroom die nodig is voor een stabiele verbranding. Effectieve koeling van de kamerwanden en elektroden is ook belangrijk om scheuren in de anode en de uniforme verdamping ervan te voorkomen, wat de inhoud beïnvloedt.

NT in de kathodeafzetting.

Het gebruik van een automatisch apparaat om de afstand tussen de elektroden op een vast niveau te houden, helpt de stabiliteit van boogontladingsparameters te vergroten en het kathodemateriaal te verrijken met nanobuisjes.

borg.

3.2.Laserspuiten

In 1995 verscheen een rapport over de synthese van koolstof-NT's door een grafietdoel te sputteren onder invloed van gepulseerde laserstraling in een atmosfeer van inert (He of Ar) gas. Het grafietdoel wordt in een kwartsbuis geplaatst bij een temperatuur van 1200°C O C, waarlangs het buffergas stroomt.

Een laserstraal, gefocust door een lenssysteem, scant het oppervlak

grafietdoel om een ​​uniforme verdamping van het doelmateriaal te garanderen.

De resulterende damp als gevolg van laserverdamping komt de stroom binnen

inert gas en wordt van het hoge temperatuurgebied naar het lage temperatuurgebied getransporteerd, waar het wordt afgezet op een watergekoeld kopersubstraat.

Roethoudend NT wordt verzameld van het kopersubstraat, de wanden van de kwartsbuis en de achterkant van het doel. Net als bij de boogmethode blijkt het

verschillende soorten eindmateriaal:

1) In experimenten waarbij puur grafiet als doelwit werd gebruikt, werden MWNT's verkregen met een lengte tot 300 nm en bestaande uit 4-24 grafeencilinders. De structuur en concentratie van dergelijke NT's in het uitgangsmateriaal werden voornamelijk bepaald door de temperatuur. Om 1200 O Alle waargenomen NT's vertoonden geen gebreken en hadden doppen aan de uiteinden. Wanneer de synthesetemperatuur wordt verlaagd tot 900°C O C, defecten verschenen in de NT, waarvan het aantal toenam met een verdere daling van de temperatuur, en bij 200 O Er werd geen NT-formatie waargenomen.

2) toen een kleine hoeveelheid overgangsmetalen aan het doel werd toegevoegd, werden SWNT's waargenomen in de condensatieproducten. Tijdens het verdampingsproces werd het doel echter verrijkt met metaal en nam de opbrengst aan SWNT's af.

Om dit probleem op te lossen, begonnen ze twee gelijktijdig bestraalde doelen te gebruiken, waarvan er één puur grafiet is en de andere uit metaallegeringen bestaat.

De procentuele opbrengst aan NT varieert dramatisch afhankelijk van de katalysator. Zo wordt een hoge opbrengst aan NT verkregen met Ni, Co-katalysatoren, een mengsel van Ni en Co met andere elementen. De resulterende SWNT's hadden dezelfde diameter en werden gecombineerd tot bundels met een diameter van 5-20 nm. Ni/Pt- en Co/Pt-mengsels geven hoge NT-opbrengsten, terwijl het gebruik van zuiver platina resulteert in lage SWNT-opbrengsten. Het Co/Cu-mengsel geeft een lage opbrengst aan SWNT's, en het gebruik van puur koper leidt helemaal niet tot de vorming van SWNT's. Er werden bolvormige kappen waargenomen aan de uiteinden van SWNT's die vrij waren van katalysatordeeltjes.

Als variatie werd een methode wijdverspreid waarbij gerichte zonnestraling werd gebruikt in plaats van gepulseerde laserstraling. Deze methode werd gebruikt om fullerenen te verkrijgen, en vervolgens

wijzigingen om NT te verkrijgen. Zonlicht, dat op een vlakke spiegel valt en wordt gereflecteerd, vormt een vlak-parallelle straal die op een parabolische spiegel valt. In het brandpunt van de spiegel bevindt zich een grafietboot gevuld met een mengsel van grafiet en metaalpoeders. De boot bevindt zich in een grafietbuis, die als hitteschild fungeert. Het gehele systeem wordt in een kamer gevuld met inert gas geplaatst.

Verschillende metalen en hun mengsels werden als katalysatoren gebruikt. Afhankelijk van de gekozen katalysator en inerte gasdruk werden verschillende structuren verkregen. Met behulp van een nikkel-kobaltkatalysator onder lage buffergasdruk bestond het gesynthetiseerde monster voornamelijk uit bamboevormige MWNT's. Met toenemende druk verschenen SWNT's met een diameter van 1-2 nm die begonnen te domineren; SWNT's werden gecombineerd tot bundels met een diameter tot 20 nm met een oppervlak vrij van amorfe koolstof.

3.3.Katalytische ontleding van koolwaterstoffen

Een veelgebruikte methode voor de productie van NT is gebaseerd op het gebruik van het ontledingsproces van acetyleen in aanwezigheid van katalysatoren. Als katalysatoren werden deeltjes van de metalen Ni, Co, Cu en Fe met een grootte van enkele nanometers gebruikt. Een keramische boot met 20-50 mg katalysator wordt in een kwartsbuis van 60 cm lang, met een inwendige diameter van 4 mm, geplaatst. Een mengsel van acetyleen C2H2 (2,5-10%) en stikstof wordt gedurende enkele uren door de buis gepompt bij een temperatuur van 500-1100°C. O C. Daarna wordt het systeem afgekoeld tot kamertemperatuur. In een experiment met een kobaltkatalysator werden vier soorten structuren waargenomen:

1) amorfe koolstoflagen op katalysatordeeltjes;

2) metaalkatalysatordeeltjes ingekapseld in grafeenlagen;

3) draden gevormd door amorfe koolstof;

4) MWNT.

De kleinste binnendiameter van deze MWNT's was 10 nm. De buitendiameter van NT's vrij van amorfe koolstof lag in het bereik van 25-30 nm, en voor NT's gecoat met amorfe koolstof - tot 130 nm. De lengte van de NT werd bepaald door de reactietijd en varieerde van 100 nm tot 10 μm.

De opbrengst en structuur van NT hangt af van het type katalysator - het vervangen van Co door Fe geeft een lagere concentratie NT en het aantal defectvrije NT wordt verminderd. Bij gebruik van een nikkelkatalysator hadden de meeste filamenten een amorfe structuur; soms werden NT's met een gegrafitiseerde, defectvrije structuur aangetroffen. Op een koperkatalysator worden filamenten met een onregelmatige vorm en een amorfe structuur gevormd. Het monster bevat metaaldeeltjes ingekapseld in grafeenlagen. De resulterende NT en threads nemen verschillende vormen aan: recht; gebogen, bestaande uit rechte delen; zigzag; spiraal. In sommige gevallen heeft de spiraalsteek een pseudo-constante waarde.

Momenteel is er behoefte aan het verkrijgen van een reeks georiënteerde NT's, die wordt gedicteerd door het gebruik van structuren als emitters. Er zijn twee manieren om reeksen georiënteerde NT's te verkrijgen: oriëntatie van reeds gegroeide NT's en groei van georiënteerde NT's met behulp van katalytische methoden.

Er werd voorgesteld om poreus silicium, waarvan de poriën gevuld zijn met ijzeren nanodeeltjes, te gebruiken als substraat voor NT-groei. Het substraat werd in een buffergas- en acetyleenomgeving geplaatst bij een temperatuur van 700°C O C, waar ijzer het proces van thermische ontleding van acetyleen katalyseerde. Het resultaat is dat over gebieden van enkele mm 2 Loodrecht op het substraat werden georiënteerde meerlaagse NT's gevormd.

Een soortgelijke methode is het gebruik van geanodiseerd aluminium als substraat. De poriën van geanodiseerd aluminium zijn gevuld met kobalt. Het substraat wordt in een stromend mengsel van acetyleen en stikstof geplaatst bij een temperatuur van 800°C O C. De resulterende georiënteerde NT's hebben een gemiddelde diameter van 50,0 ± 0,7 nm met een afstand tussen de buizen van 104,2 ± 2,3 nm. De gemiddelde dichtheid werd bepaald op 1,1x1010 NT/cm 2 . TEM van de nanobuisjes onthulde een goed gegrafitiseerde structuur met een afstand tussen grafeenlagen van 0,34 nm. Er wordt gerapporteerd dat door het veranderen van de parameters en verwerkingstijd van het aluminiumsubstraat het mogelijk is om zowel de diameter van de NT als de afstand ertussen te veranderen.

Een methode die plaatsvindt bij lagere temperaturen (onder 666 O C) staat ook beschreven in de artikelen. Lage temperaturen tijdens het syntheseproces maken het mogelijk om glas met een afgezette nikkelfilm als substraat te gebruiken. De nikkelfilm diende als katalysator voor de groei van NT's door opdamping in geactiveerd plasma met een heet filament. Acetyleen werd gebruikt als koolstofbron. Door de experimentele omstandigheden te veranderen, kun je de diameter van de buizen veranderen van 20 tot 400 nm en hun lengte in het bereik van 0,1-50 μm. De resulterende MWNT's met een grote diameter (> 100 nm) zijn recht en hun assen zijn strikt loodrecht op het substraat gericht. De waargenomen NT-dichtheid volgens scanning-elektronenmicroscopie is 107 NT/mm 2 . Wanneer de NT-diameter kleiner wordt dan 100 nm, verdwijnt de overheersende oriëntatie loodrecht op het substraatvlak. Uitgelijnde MWNT-arrays kunnen worden gemaakt over gebieden van enkele cm 2 .

3.4.Elektrolytische synthese

Het basisidee van deze methode is om koolstof-NT's te produceren door een elektrische stroom door te laten tussen grafietelektroden die zich in een gesmolten ionisch zout bevinden. De grafietkathode wordt tijdens de reactie verbruikt en dient als bron van koolstofatomen. Als gevolg hiervan wordt een breed scala aan nanomaterialen gevormd. De anode is een boot gemaakt van zeer zuiver grafiet en gevuld met lithiumchloride. De boot wordt verwarmd tot het smeltpunt van lithiumchloride (604 O C) in lucht of in een atmosfeer van inert gas (argon). De kathode wordt ondergedompeld in gesmolten lithiumchloride en gedurende één minuut wordt er een stroom van 1-30 A tussen de elektroden geleid. Tijdens het passeren van de stroom erodeert het deel van de kathode dat in de smelt is ondergedompeld. Vervolgens smelt de elektrolyt die deeltjes bevatkoolstof, afgekoeld tot kamertemperatuur.

Om de koolstofdeeltjes die het gevolg zijn van kathode-erosie te isoleren, werd het zout opgelost in water. Het neerslag werd geïsoleerd, opgelost in tolueen en gedispergeerd in een ultrasoonbad. De elektrolytische syntheseproducten werden bestudeerd met behulp van TEM. Er werd onthuld dat zij

bestaan ​​uit ingekapselde metaaldeeltjes, bollen en koolstof-NT's met verschillende morfologieën, waaronder spiraalvormig en sterk gebogen. Afhankelijk

Afhankelijk van de experimentele omstandigheden varieerde de diameter van nanobuisjes gevormd door cilindrische grafeenlagen van 2 tot 20 nm. De lengte van MWNT's bereikte 5 μm.

Er werden optimale stroomomstandigheden gevonden - 3-5 A. Bij een hoge stroomwaarde (10-30 A) worden alleen ingekapselde deeltjes en amorfe koolstof gevormd. Bij

lage stroomwaarden (<1А) образуется только аморфный углерод.

3.5.Condensatiemethode

Bij de quasi-vrije dampcondensatiemethode wordt koolstofdamp gegenereerd door resistieve verwarming van een grafietstrook en condenseert op een zeer geordend pyrolytisch grafietsubstraat dat is afgekoeld tot een temperatuur van 30 °C. O C in vacuüm 10-8 Torr. TEM-onderzoeken van de resulterende films met een dikte van 2–6 nm laten zien dat ze koolstof NT's bevatten met een diameter van 1–7 nm en een lengte tot 200 nm, waarvan de meeste eindigen in bolvormige uiteinden. Het NT-gehalte in het sediment bedraagt ​​meer dan 50%. Voor meerlaagse NT's is de afstand tussen de grafeenlagen waaruit ze bestaan ​​0,34 nm. De buizen bevinden zich vrijwel horizontaal op het substraat.

3.6.Methode voor structurele vernietiging

Deze methode is ontwikkeld door onderzoekers van het IBM-laboratorium. Zoals het was

Zoals eerder vermeld, bevatten nanobuisjes zowel metallische als

halfgeleider eigenschappen. Voor de productie van een aantal daarop gebaseerde apparaten, met name transistors en bovendien processors die deze gebruiken, zijn echter alleen halfgeleidernanobuisjes nodig. IBM-wetenschappers ontwikkelden een methode genaamd ‘constructieve vernietiging’ waarmee ze alle metalen nanobuisjes konden vernietigen terwijl de halfgeleiderbuizen intact bleven. Dat wil zeggen dat ze ofwel achtereenvolgens één schil tegelijk vernietigen in een meerwandige nanobuis, ofwel selectief enkelwandige metalen nanobuisjes vernietigen.

Hier volgt een korte beschrijving van het proces:

1. Gelijmde “touwen” van metalen en halfgeleiderbuizen worden op een siliciumoxidesubstraat geplaatst.

2. Vervolgens wordt een lithografiemasker op het substraat geprojecteerd om zich te vormen

elektroden (metalen afstandhouders) bovenop de nanobuisjes. Deze elektroden

fungeren als aan/uit-schakelaars

halfgeleider nanobuisjes.

3. Door het siliciumsubstraat zelf als elektrode te gebruiken, ‘schakelen’ wetenschappers uit

halfgeleidernanobuisjes die simpelweg de doorgang van stroom erdoor blokkeren.

4.Metalen nanobuisjes bleven onbeschermd. Vervolgens wordt een geschikte spanning op het substraat aangelegd, waardoor de metalen nanobuisjes worden vernietigd terwijl de halfgeleidernanobuisjes geïsoleerd blijven. Het resultaat is een dichte reeks intacte, functionele halfgeleidernanobuisjes – transistors – die kunnen worden gebruikt om logische circuits te creëren, dat wil zeggen processors. Laten we deze processen nu in meer detail bekijken. Verschillende MWNT-schalen kunnen verschillende elektrische eigenschappen hebben. Als gevolg hiervan zijn de elektronische structuur en in MWNT's verschillend. Deze structurele complexiteit maakt de selectie en het gebruik van slechts één MWNT-schil mogelijk: degene met de gewenste eigenschappen. De vernietiging van meerwandige nanobuisjes vindt in de lucht bij een bepaald vermogensniveau snel plaats

oxidatie van buitenste koolstofschalen. Tijdens de vernietiging verandert de stroom die door de MWNT vloeit in stappen, en deze stappen vallen met verbazingwekkende consistentie samen met de vernietiging van een individuele granaat. Door het proces van het één voor één verwijderen van de schalen te controleren, is het mogelijk buizen te maken met de gewenste eigenschappen van de buitenmantel, metaal of halfgeleider. Door de diameter van de buitenschaal te kiezen kan de gewenste bandafstand worden verkregen.

Als er "touwen" met enkelwandige nanobuisjes worden gebruikt om een ​​veldeffecttransistor te maken, kunnen er geen metalen buizen in blijven zitten, omdat deze de transporteigenschappen van het apparaat zullen domineren en bepalen, d.w.z. zal niet toestaan ​​dat het veldeffect wordt gerealiseerd. Dit probleem wordt ook opgelost door selectieve vernietiging. In tegenstelling tot MWNT's kan elke SWNT in een dun "touw" afzonderlijk worden aangesloten op externe elektroden. Een “touw” met MWNT’s kan dus worden weergegeven als onafhankelijke parallelle geleiders met een totale totale geleidbaarheid berekend met de formule:

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

waarbij Gm wordt geproduceerd door de metalen nanobuisjes, en Gs de poortafhankelijke geleidbaarheid van de halfgeleidernanobuisjes is.

Bovendien worden meerdere SWNT's in een touw blootgesteld aan lucht, een potentieel oxiderende omgeving, zodat meerdere buizen tegelijkertijd kunnen worden vernietigd, in tegenstelling tot MWNT's. Ten slotte beschermen enkelwandige nanobuisjes in een klein ‘touw’ elkaar elektrostatisch niet zo effectief als concentrische omhulsels van MWNT’s. Hierdoor kan de stuurelektrode worden gebruikt om elektrische stroomdragers (elektronen of

gaten) in halfgeleider-SWNT's in het "touw". Hierdoor veranderen de halfgeleiderbuizen in isolatoren. In dit geval kan de door stroom geïnduceerde oxidatie alleen worden gericht op de metalen SWNT's in het 'touw'.

De productie van halfgeleidernanobuisarrays wordt uitgevoerd

simpel: door SWNT “touwen” op een geoxideerd siliciumsubstraat te plaatsen,

En dan wordt een set stroombron-, aard- en geïsoleerde elektroden lithografisch bovenop de “touwen” geplaatst. De concentratie van de buizen is zo gekozen dat gemiddeld slechts één "touw" de bron en de aarde kortsluit. In dit geval is geen speciale oriëntatie van de nanobuisjes vereist. De onderste poort (het siliciumsubstraat zelf) wordt gebruikt om de halfgeleiderbuizen af ​​te dichten, en vervolgens wordt een overmatige spanning aangelegd om de metalen buizen in de "kabel" die de FET creëert, te breken. Met behulp van deze selectieve vernietigingstechnologie kan de grootte van een koolstofnanobuisje worden gecontroleerd, waardoor nanobuisjes kunnen worden gebouwd met vooraf bepaalde elektrische eigenschappen die voldoen aan de gewenste prestaties van elektronische apparaten. Nanobuisjes kunnen worden gebruikt als draden van nanoformaat of als actieve componenten in elektronische apparaten, zoals veldeffecttransistors. Het is duidelijk dat, in tegenstelling tot op silicium gebaseerde halfgeleiders, waarbij geleiders op basis van aluminium of koper nodig zijn om de halfgeleiderelementen in de chip met elkaar te verbinden, deze technologie alleen koolstof kan gebruiken.

Tegenwoordig proberen processorfabrikanten de lengte van kanalen in transistors te verkleinen om de frequenties te verhogen. De door IBM voorgestelde technologie kan dit probleem met succes oplossen door koolstofnanobuisjes te gebruiken als kanalen in transistors.

4.Praktisch gebruik van koolstofnanobuisjes

4.1. Veldemissie en afscherming

Wanneer een klein elektrisch veld langs de as van de nanobuis wordt aangelegd, vindt er vanaf de uiteinden een zeer intense elektronenemissie plaats. Dergelijke verschijnselen worden veldemissie genoemd. Dit effect kan gemakkelijk worden waargenomen door een kleine spanning aan te leggen tussen twee parallelle metalen elektroden, waarvan er één is bedekt met een composietpasta van nanobuisjes. Een voldoende aantal buizen zal loodrecht op de elektrode staan, waardoor veldemissie kan worden waargenomen. Eén toepassing van dit effect is het verbeteren van platte beeldschermen. TV- en computermonitors gebruiken een gestuurd elektronenkanon om een ​​fluorescerend scherm te bestralen, dat licht in de gewenste kleuren uitzendt. Het Koreaanse bedrijf Samsung ontwikkelt een plat beeldscherm dat gebruik maakt van elektronenemissie uit koolstofnanobuisjes. Een dunne film nanobuisjes wordt op een laag met besturingselektronica geplaatst en daarbovenop wordt een glasplaat bedekt met een laagje fosfor. Een Japans bedrijf gebruikt elektronenemissie bij het verlichten van vacuümbuizen die net zo helder zijn als gloeilampen, maar efficiënter zijn en langer meegaan. Andere onderzoekers gebruiken het effect om nieuwe manieren te ontwikkelen om microgolfstraling te genereren.

De hoge elektrische geleidbaarheid van koolstofnanobuisjes betekent dat ze elektromagnetische golven niet goed zullen overbrengen. Composietplastic met nanobuisjes kan een lichtgewicht materiaal blijken te zijn dat elektromagnetische straling afschermt. Dit is een zeer belangrijke kwestie voor het leger dat ideeën ontwikkelt voor digitale representatie van het slagveld in commando-, controle- en communicatiesystemen. Computers en elektronische apparaten die deel uitmaken van een dergelijk systeem moeten worden beschermd tegen wapens die elektromagnetische pulsen genereren.

4.2.Brandstofcellen

Koolstofnanobuisjes kunnen worden gebruikt om batterijen te maken.

Er kan lithium, de ladingsdrager in sommige batterijen, worden geplaatst

in de nanobuisjes. Er wordt geschat dat de buis één lithiumatoom op elke zes koolstofatomen kan huisvesten. Een ander mogelijk gebruik van nanobuisjes is het opslaan van waterstof, dat zou kunnen worden gebruikt bij het ontwerp van brandstofcellen als bronnen van elektrische energie in toekomstige auto's. Een brandstofcel bestaat uit twee elektroden en een speciale elektrolyt die waterstofionen ertussen doorlaat, maar geen elektronen doorlaat. Waterstof wordt naar de anode geleid, waar het wordt geïoniseerd. Vrije elektronen bewegen langs het externe circuit naar de kathode en waterstofionen diffunderen naar de kathode via de elektrolyt, waar uit deze ionen, elektronen en zuurstof watermoleculen worden gevormd. Voor een dergelijk systeem is een waterstofbron nodig. Eén mogelijkheid is om waterstof op te slaan in koolstofnanobuisjes. Om effectief in deze capaciteit te kunnen worden gebruikt, moet de buis volgens de huidige schattingen 6,5 gewichtsprocent waterstof opnemen. Momenteel kan slechts 4 gewichtsprocent waterstof in de buis passen.
Een elegante methode om koolstofnanobuisjes met waterstof te vullen is het gebruik van een elektrochemische cel. Enkelwandige nanobuisjes, in de vorm van een vel papier, vormen de negatieve elektrode in de KOH-elektrolytoplossing. De andere elektrode bestaat uit Ni(OH) 2 . Elektrolytwater ontleedt en vormt positieve waterstofionen (H+ ), bewegend naar de negatieve elektrode gemaakt van nanobuisjes. De aanwezigheid van gebonden waterstof in de buizen wordt bepaald door de afname van de intensiteit van de Raman-verstrooiing.

4.3. Katalysatoren

Een katalysator is een stof, meestal een metaal of legering, die de snelheid van een chemische reactie verhoogt. Voor sommige chemische reacties zijn koolstofnanobuisjes katalysatoren. Meerwandige nanobuisjes met extern gebonden rutheniumatomen hebben bijvoorbeeld een sterk katalytisch effect op de hydrogeneringsreactie van kaneelaldehyde (C 6N5 CH=CHCHO) in de vloeibare fase vergeleken met het effect van hetzelfde ruthenium op andere koolstofsubstraten. Er werden ook chemische reacties uitgevoerd in koolstofnanobuisjes, bijvoorbeeld de reductie van nikkeloxide NiO tot metallisch nikkel en A ik C1 3 naar aluminium. Waterstofgasstroom H 2 bij 475°C vermindert Mo gedeeltelijk O3 naar Mo O2 met de daarmee gepaard gaande vorming van waterdamp in meerwandige nanobuisjes. Cadmiumsulfidekristallen CdS worden in nanobuisjes gevormd door de reactie van kristallijn cadmiumoxide CdO met waterstofsulfide (H 2 S) bij 400°C.

4.4.Chemische sensoren

Er is vastgesteld dat een veldeffecttransistor gemaakt op een halfgeleidende chirale nanobuis een gevoelige detector is voor verschillende gassen. De veldeffecttransistor werd in een vat van 500 ml geplaatst met voedingsaansluitingen en twee kleppen voor de in- en uitlaat van gas dat rond de transistor stroomt. Gasstroom met 2 tot 200 ppm N O2 leidde bij een snelheid van 700 ml/min gedurende 10 minuten tot een drievoudige toename van de geleidbaarheid van het nanobuisje. Dit effect is te wijten aan het feit dat bij binding van N O2 bij een nanobuisje wordt lading overgedragen van het nanobuisje naar de N-groep O2 , waardoor de concentratie van gaten in de nanobuis en de geleidbaarheid ervan toenemen.

4.5. Kwantumdraden

Theoretische en experimentele studies van de elektrische en magnetische eigenschappen van nanobuisjes hebben een aantal effecten aan het licht gebracht die wijzen op de kwantumaard van de ladingsoverdracht in deze moleculaire draden en die in elektronische apparaten kunnen worden gebruikt.

De geleidbaarheid van een gewone draad is omgekeerd evenredig met zijn lengte en recht evenredig met de doorsnede, maar in het geval van een nanobuis is deze niet afhankelijk van zijn lengte of dikte en is hij gelijk aan het geleidbaarheidskwantum (12,9 kOhm). 1 ) - de grenswaarde van de geleidbaarheid, die overeenkomt met de vrije overdracht van gedelokaliseerde elektronen over de gehele lengte van de geleider.

Bij gewone temperatuur is de waargenomen waarde van de stroomdichtheid (107 A(cm2)) twee ordes van grootte hoger dan de momenteel bereikte stroomdichtheid in

supergeleiders.

Een nanobuisje dat bij temperaturen rond de 1 K in contact staat met twee supergeleidende elektroden, wordt zelf een supergeleider. Dit effect is te wijten aan het feit dat Cooper-elektronenparen zijn gevormd

bij supergeleidende elektroden vallen ze niet uiteen tijdens het passeren

nanobuis.

Bij lage temperaturen werd een stapsgewijze toename van de stroom (kwantisering van de geleidbaarheid) waargenomen op metalen nanobuisjes, waarbij een toenemende voorspanning V op de nanobuis werd toegepast: elke sprong komt overeen met het verschijnen van het volgende gedelokaliseerde niveau van de nanobuis in de opening tussen de Fermi-niveaus van de kathode en anode.

Nanobuisjes hebben een uitgesproken magnetoweerstand: de elektrische geleidbaarheid is sterk afhankelijk van de inductie van het magnetische veld. Als een extern veld wordt aangelegd in de richting van de nanobuisas, worden merkbare oscillaties van de elektrische geleidbaarheid waargenomen; als het veld loodrecht op de LT-as wordt aangelegd, wordt de toename ervan waargenomen.

4.6.LED's

Een andere toepassing van MWNTs is de productie van LEDs op basis van organische materialen. In dit geval werd de volgende methode gebruikt voor de vervaardiging ervan: NT-poeder werd gemengd met organische elementen in tolueen en bestraald met ultrageluid, waarna men de oplossing 48 uur liet bezinken. Afhankelijk van de initiële hoeveelheid componenten werden verschillende massafracties NT verkregen. Om LED's te produceren werd het bovenste deel van de oplossing verwijderd en door centrifugatie op een glassubstraat aangebracht, waarna aluminiumelektroden op polymeerlagen werden gespoten. De resulterende apparaten werden bestudeerd door middel van elektroluminescentie, waarbij een piek van hun emissie in het infrarode gebied van het spectrum (600-700 nm) aan het licht kwam.

CONCLUSIE

Momenteel trekken koolstofnanobuisjes veel aandacht vanwege de mogelijkheid om op basis daarvan apparaten van nanometerformaat te vervaardigen. Ondanks talrijke onderzoeken op dit gebied blijft de kwestie van de massaproductie van dergelijke apparaten open, wat verband houdt met de onmogelijkheid van nauwkeurige controle over de productie van NT's met gespecificeerde parameters en eigenschappen.

In de nabije toekomst mag echter een snelle ontwikkeling op dit gebied worden verwacht vanwege de mogelijkheid om microprocessors en chips te produceren op basis van nanotransistors en, als gevolg daarvan, investeringen op dit gebied door bedrijven die gespecialiseerd zijn in computertechnologie.

BIBLIOGRAFIE

1. Koolstof nanobuisjes. Materialen voor computers uit de 21e eeuw, P.N. Dyachkov. Natuur nr. 11, 2000
2. Rakov E.G. Methoden voor de productie van koolstofnanobuisjes // Vooruitgang in de chemie. -2000. - T. 69. - Nr. 1. - P. 41-59.
3. Rakov E.G. Chemie en toepassing van koolstofnanobuisjes // Vooruitgang in de chemie. -2001. - T. 70. - Nr. 11. - P. 934-973.
4. Eletsky AV // Succes natuurkunde. Wetenschap 1997. T. 167, nr. 9. P. 945972.
5. Zolotukhin IV Koolstof nanobuisjes. Technisch Staatsinstituut van Voronezj.
6. http://skybox.org.ua/

PAGINA 15

Een andere klasse van clusters waren langwerpige cilindrische koolstofformaties, die later, nadat hun structuur was opgehelderd, " koolstof nanobuisjes" (CNT's). CNT's zijn grote, soms zelfs ultragrote (meer dan 106 atomen) moleculen opgebouwd uit koolstofatomen.

Typisch structureel schema enkelwandige CNT en het resultaat van computerberekeningen van zijn moleculaire orbitalen worden getoond in Fig. 3.1. Op de hoekpunten van alle zeshoeken en vijfhoeken, weergegeven als witte lijnen, bevinden zich koolstofatomen in een staat van sp2-hybridisatie. Om ervoor te zorgen dat de structuur van het CNT-raamwerk duidelijk zichtbaar is, worden de koolstofatomen hier niet weergegeven. Maar ze zijn niet moeilijk voor te stellen. De grijze tint toont het uiterlijk van de moleculaire orbitalen van het laterale oppervlak van de CNT.

Afb. 3.1

De theorie laat zien dat de structuur van het zijoppervlak van een enkelwandige CNT kan worden voorgesteld als één laag grafiet die in een buis is gerold. Het is duidelijk dat deze laag alleen kan worden opgerold in die richtingen waarin de uitlijning van het zeshoekige rooster met zichzelf wordt bereikt bij het sluiten van het cilindrische oppervlak. Daarom hebben CNT's slechts een bepaalde reeks diameters en zijn ze geclassificeerd Door vectoren die de vouwrichting van het hexagonale rooster aangeven. Zowel het uiterlijk als de variaties in de eigenschappen van CNT's zijn hiervan afhankelijk. Drie typische opties worden getoond in figuur 3.2.

De reeks mogelijke CNT-diameters overlapt bereik van iets minder dan 1 nm tot vele tientallen nanometers. A lengte CNT's kunnen tientallen micrometers bereiken. Dossier Door De lengte van CNT's heeft de limiet van 1 mm al overschreden.

Voldoende lange CNT's (wanneer lengte veel groter in diameter) kan worden beschouwd als een eendimensionaal kristal. Daarop kan men een "eenheidscel" onderscheiden, die vele malen langs de as van de buis wordt herhaald. En dit wordt weerspiegeld in enkele eigenschappen van lange koolstofnanobuisjes.

Afhankelijk van de oprolvector van de grafietlaag (experts zeggen: “from chiraliteit") nanobuisjes kunnen zowel geleiders als halfgeleiders zijn. CNT's met de zogenaamde "zadel" -structuur hebben altijd een vrij hoge, "metaalachtige" elektrische geleidbaarheid.

Rijst. 3.2

De “deksels” die de CNT’s aan de uiteinden afsluiten, kunnen ook verschillend zijn. Ze hebben de vorm van “helften” van verschillende fullerenen. Hun belangrijkste opties worden getoond in Fig. 3.3.

Rijst. 3.3 De belangrijkste opties voor "covers" van enkelwandige CNT's

Er zijn ook meerwandige CNT's. Sommige zien eruit als een laag grafiet die in een rol is gerold. Maar het grootste deel bestaat uit enkellaags buizen die in elkaar zijn gestoken, onderling verbonden door van der Waals-krachten. Als enkelwandige CNT's zijn dus bijna altijd bedekt met deksels meerwandige CNT's Ze zijn ook gedeeltelijk open. Ze vertonen meestal veel meer kleine structurele defecten dan enkelwandige CNT's. Voor toepassingen in de elektronica wordt daarom nog steeds de voorkeur gegeven aan het laatste.

CNT's groeien niet alleen recht, maar ook kromlijnig, gebogen om een ​​'knie' te vormen en zelfs volledig opgerold in de vorm van een torus. Vaak zijn meerdere CNT's nauw met elkaar verbonden en vormen ze "bundels".

Materialen gebruikt voor nanobuisjes

De ontwikkeling van methoden voor de synthese van koolstofnanobuisjes (CNT's) heeft het pad gevolgd van het verlagen van de synthesetemperaturen. Na de creatie van de technologie voor de productie van fullerenen werd ontdekt dat tijdens de elektrische boogverdamping van grafietelektroden, samen met de vorming van fullerenen, uitgebreide cilindrische structuren worden gevormd. Microscopist Sumio Iijima was met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) de eerste die deze structuren identificeerde als nanobuisjes. Hogetemperatuurmethoden voor het produceren van CNT's omvatten de elektrische boogmethode. Als je een grafietstaaf (anode) verdampt in een elektrische boog, ontstaat er een harde koolstofophoping (afzetting) op de tegenoverliggende elektrode (kathode), waarvan de zachte kern meerwandige CNT's bevat met een diameter van 15-15 mm. 20 nm en een lengte van meer dan 1 μm.

De vorming van CNT's uit fullereenroet onder thermische invloed van hoge temperaturen op roet werd voor het eerst waargenomen door groepen uit Oxford en Zwitserland. De installatie voor elektrische boogsynthese is metaalintensief en energieverbruikend, maar is universeel voor de productie van verschillende soorten koolstofnanomaterialen. Een aanzienlijk probleem is het niet-evenwicht van het proces tijdens boogverbranding. De elektrische boogmethode verving ooit de methode van laserverdamping (ablatie) door een laserstraal. De ablatie-eenheid is een conventionele weerstandsverwarmingsoven die een temperatuur van 1200°C produceert. Om er hogere temperaturen in te verkrijgen, volstaat het om een ​​koolstofdoel in de oven te plaatsen en er een laserstraal op te richten, waarbij afwisselend het hele oppervlak van het doel wordt gescand. Zo verwierf de groep van Smalley, met behulp van dure installaties met een kortepulslaser, in 1995 nanobuisjes, waardoor de technologie van hun synthese “aanzienlijk werd vereenvoudigd”.

De opbrengst aan CNT's bleef echter laag. De introductie van kleine toevoegingen van nikkel en kobalt (0,5 at.%) aan grafiet maakte het mogelijk de CNT-opbrengst te verhogen tot 70-90%. Vanaf dit moment begon een nieuwe fase in het begrijpen van het mechanisme van de vorming van nanobuisjes. Het werd duidelijk dat het metaal een katalysator voor groei was. Dit is hoe de eerste werken verschenen over de productie van nanobuisjes volgens een lage temperatuurmethode - de methode van katalytische pyrolyse van koolwaterstoffen (CVD), waarbij metaaldeeltjes uit de ijzergroep als katalysator werden gebruikt. Eén van de installatiemogelijkheden voor het produceren van nanobuisjes en nanovezels volgens de CVD-methode is een reactor waarin een inert draaggas wordt toegevoerd, dat de katalysator en koolwaterstof naar een hogetemperatuurzone transporteert.

Vereenvoudigd is het groeimechanisme van CNT's als volgt. De koolstof die wordt gevormd tijdens de thermische ontleding van koolwaterstoffen lost op in het metalen nanodeeltje. Wanneer een hoge concentratie koolstof in een deeltje wordt bereikt, vindt er een energetisch gunstige “afgifte” van overtollige koolstof plaats op een van de zijden van het katalysatordeeltje in de vorm van een vervormde semifulereenkap. Dit is hoe een nanobuisje ontstaat. De afgebroken koolstof blijft het katalysatordeeltje binnendringen en om de overtollige concentratie ervan in de smelt te dumpen, is het noodzakelijk om er voortdurend vanaf te komen. Het stijgende halfrond (semi-fullereen) van het smeltoppervlak draagt ​​opgeloste overtollige koolstof met zich mee, waarvan de atomen buiten de smelt een C-C-binding vormen, wat een cilindrisch nanobuisframe is.

De smelttemperatuur van een deeltje in een toestand van nanogrootte hangt af van zijn straal. Hoe kleiner de straal, hoe lager de smelttemperatuur, als gevolg van het Gibbs-Thompson-effect. Daarom bevinden ijzeren nanodeeltjes met een grootte van ongeveer 10 nm zich in een gesmolten toestand onder de 600°C. Op dit moment wordt de synthese van CNT's bij lage temperatuur uitgevoerd met behulp van de katalytische pyrolyse van acetyleen in aanwezigheid van Fe-deeltjes bij 550 ° C. Het verlagen van de synthesetemperatuur heeft ook negatieve gevolgen. Bij lagere temperaturen worden CNT's met een grote diameter (ongeveer 100 nm) en een zeer defecte structuur zoals "bamboe" of "nested nanocones" verkregen. De resulterende materialen bestaan ​​alleen uit koolstof, maar komen niet eens in de buurt van de buitengewone eigenschappen (bijvoorbeeld de Young-modulus) die worden waargenomen in enkelwandige koolstofnanobuisjes verkregen door laserablatie of elektrische boogsynthese.