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Углеродные нанотрубки — протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров [1] состоят из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

(См. также фуллерены)

[править] Основные свойства

Схематическое изображение нанотрубки

Схематическое изображение нанотрубки

[править] Классификация нанотрубок

Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R.

Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R.

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. Это проилюстрировано на рисунке.

По значению параметров (n, m) различают

  • прямые (ахиральные) нанотрубки
    • «кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m
    • зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0
  • спиральные (хиральные) нанотрубки

Как нетрудно догадаться, при зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Технически говоря у полупроводниковых трубок есть энергетическая щель на поверхности Ферми. Трубка оказывается металлической, если n-m делится на 3. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло». Более подробно см. раздел про электронные свойства нанотрубок.

[править] Однослойные и многослойные нанотрубки

Сказанное относится к простейшим однослойным нанотрубкам. В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, то есть представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложеных одна в другую (так называемые "матрешки" (russian dolls)).

[править] История открытия

Как известно, фуллерен (C60) был открыт группой Смоли, Крото и Кёрла в 1985 г.[2], за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. [3], существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 19741975 гг. Эндо и др. [4] опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 A, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature [5] была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских ученых Радушкевича и Лукьяновича [6] сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе [7] химик Джонс (Дедалус) размышлял о свернутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и др. [8], вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости[9].

[править] Структурные свойства

  • упругие свойства; 5-7-дефекты при превышении критической нагрузки
  • открытые и закрытые нанотрубки

[править] Электронные свойства нанотрубок

[править] Электронные свойства графитовой плоскости

Все точки K первой зоны Бриллюэна отстоят друг от друга на вектор трансляции обратной решётки, поэтому все они на самом деле эквивалентны. Аналогично, эквивалентны все точки K'.

0, часть E(k)<0>0, часть E(k)<0 longdesc="/wiki/%D0%98%D0%B7%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5:Carbon_spectrum_1_brill.jpg" class="thumbimage" src="http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/9/97/Carbon_spectrum_1_brill.jpg/300px-Carbon_spectrum_1_brill.jpg" height="246" width="300">

Спектр углеродной плоскости в первой зоне Бриллюэна. Показана только часть E(k)>0, часть E(k)<0 получается отражением в плоскости kx, ky.
  • Дираковские точки
Дираковские точки в периодически продолженном за пределы первой зоны Бриллюэна спектре графитовой плоскости

Дираковские точки в периодически продолженном за пределы первой зоны Бриллюэна спектре графитовой плоскости

Графитполуметалл, что видно невооруженным глазом по характеру отражения света. Можно убедиться, что электроны p-орбиталей полностью заполняют первую зону Бриллюэна. Таким образом, оказывается, что уровень Ферми графитовой плоскости проходит точно по дираковским точкам, т.о. вся поверхность Ферми (точнее, линия в двумерном случае) вырождается в две неэквивалентные точки.

Если энергия электронов мало отличается от энергии Ферми, то можно заменить истинный спектр электронов вблизи дираковской точки на простой конический, такой же как спектр безмассовой частицы подчиняющейся уравнению Дирака в 2+1 измерениях.

  • SU(4) симметрия

[править] Преобразование спектра при сворачивании плоскости в трубку

[править] Учёт взаимодействия электронов

[править] Сверхпроводимость в нанотрубках

  • Экспериментальный статус
  • Теория

[править] Экситоны и биэкситоны в нанотрубках

[править] Оптические свойства нанотрубок

Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок (разность индексов хиральности не кратна трем) являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает нанотрубки в число материалов оптоэлектроники.

[править] Свойства интеркалированных нанотрубок

[править] Возможные применения нанотрубок

  • Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы
  • Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы
  • Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки
  • Оптические применения: дисплеи, светодиоды
  • Медицина (в стадии активной разработки)
  • Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью - при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
  • Кабель для космического лифта

[править] Сноски

  1. http://www.sciencedaily.com/releases/2004/09/040917091336.htm
  2. H.W. Kroto, J.R.Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley, C60: Buckminsterfullerene, Nature 318 162 (1985)
  3. S. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature 354 56 (1991)
  4. A. Oberlin, M. Endo, and T. Koyama. High resolution electron microscope observations of graphitized carbon fibers Carbon, 14, 133 (1976)
  5. J.A.E. Gibson. Early nanotubes? Nature, 359, 369 (1992)
  6. Л. В. Радушкевич и В. М. Лукьянович. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте. ЖФХ, 26, 88 (1952)
  7. D.E.H. Jones (Daedalus). New Scientist 110 80 (1986)
  8. З. Я. Косаковская, Л. А. Чернозатонский, Е. А. Фёдоров. Нановолоконная углеродная структура. Письма в ЖЭТФ 56 26 (1992)
  9. М. Ю. Корнилов. Нужен трубчатый углерод. Химия и жизнь 8 (1985)

[править] Ссылки


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(Redirecionado de Nanotubo de Carbono)

Nanotubos de carbono são moléculas cilíndricas de carbono com propriedades que os tornam potencialmente úteis em aplicações mecânicas e eletrônicas em escala microscópica. Eles apresentam descomunal resistência e propriedades elétricas únicas e são eficientes condutores de calor. Nanotubos inorgânicos também têm sido sintetizados.

Segundo algumas experiências feitas por cientistas japoneses, que resolveram borrifar uma folha com água e juntamente com nanotubos de carbono, conseguiram fazer com que uma lagarta, depois de comer um pouco da tal folha, fizesse um fio de seda mais forte que o aço. Com estas experiências, esses cientistas descobriram também que com esse fio de seda, conseguiriam fazer peças de roupa à prova de bala.

[editar] Ligações externas


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Trójwymiarowe modele struktury jednowarstwowych nanorurek węglowych.

Trójwymiarowe modele struktury jednowarstwowych nanorurek węglowych.
Animacja pokazująca trójwymiarową strukturę nanorurki.

Animacja pokazująca trójwymiarową strukturę nanorurki.

Nanorurki węglowe są zbudowanymi z węgla strukturami nadcząsteczkowymi, mającymi postać walców ze zwiniętego grafenu (jednoatomowej warstwy grafitu). Najcieńsze mają średnicę rzędu jednego nanometra, a ich długość może być miliony razy większa. Wykazują niezwykłą wytrzymałość na rozrywanie i unikalne własności elektryczne, oraz są znakomitymi przewodnikami ciepła. Te własności sprawiają że są badane jako obiecujące materiały do zastosowań w nanotechnologii, elektronice, optyce i badaniach materiałowych.

Z punktu widzenia chemii kwantowej, nanorurki zbudowane są wyłącznie z wiązań sp2. Wiązania te są mocniejsze od wiązań sp3 tworzących diament, co pozwala nanorurkom uzyskiwać większą wytrzymałość. Nanorurki samoczynnie zlepiają się w włókna za pomocą oddziaływań Van der Waalsa. Pod dużym ciśnieniem można przekształcić część wiązań sp2 w sp3, tworząc z nich niezwykle wytrzymałe materiały takie jak ADNR.

Typy nanorurek węglowych [edytuj]

  • Nanorurki jednowarstwowe (SWNT) – zbudowane z jednej warstwy atomów, zwiniętej w rurkę o średnicy rzędu nanometra. W przeciwieństwie do nanorurek wielowarstwowych wykazują bardzo przydatne własności elektryczne, dzięki czemu są rozważane jako główny kandydat do tworzenia przyszłych układów elektronicznych. Można za ich pomocą konstruować zarówno przewody o minimalnym oporze[1] jak i bramki logiczne.[2] Obecnie ich wytwarzanie jest jednak bardzo skomplikowane i drogie, i przyszłość ich zastosowań zależy głównie od opracowania efektywniejszych metod produkcji.[3]

Obecnie znane są metody uzyskiwania takich nanorurek o długości rzędu centymetrów [4].

  • Nanorurki wielowarstwowe (MWNT) - zbudowane z wielu warstw atomów, ułożonych w odstępach podobnie jak w graficie. Ich własności zależą od liczby warstw. Nanorurki dwuwarstwowe (DWNT) są szczególnie interesujące ponieważ zachowują przydatne własności jednowarstwowych, a jednocześnie są od nich znacznie odporniejsze chemicznie. Jest to szczególnie istotne przy modyfikowaniu własności nanorurek przez zrywanie niektórych wiązań pomiędzy atomami węgla – w przypadku DWNT modyfikowana jest wtedy jedynie zewnętrzna warstwa.
  • Fuleryty – materiały uzyskiwane przez sprasowanie nanorurek w wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Część nanorurek łączy się wtedy ze sobą za pomocą wiązań sp3. Uzyskany w ten sposób materiał może przewyższać twardością diament, a jednocześnie nie ma struktury krystalicznej i dzięki temu nie jest kruchy.
  • Nanotorusy - nanorurki zwinięte w kształt torusa. Nanotorusy są badane ze względu na zaskakujące własności magnetyczne.[5] [6]

Własności [edytuj]

Mechaniczne [edytuj]

Nanorurki są jednymi z najwytrzymalszych i najsztywniejszych znanych materiałów. Wytrzymałość na rozciąganie nanorurek wielowarstwowych sięga 63 GPa.[7] Dla porównania, hartowana stal osiąga wytrzymałość rzędu 1.2 GPa. W połączeniu z niewielką gęstością rzędu 1.3-1.4 g/cm³[8], daje to najlepszy rezultat spośród znanych ludzkości materiałów.

Nanorurki nie są natomiast wytrzymałe na zgniatanie. Z powodu elastyczności i pustej struktury łatwo wyginają się i odkształcają pod wpływem sił ściskających lub zginających.

Kinetyczne [edytuj]

W nanorurkach wielowarstwowych, wewnętrze warstwy mogą ślizgać się prawie bez tarcia wewnątrz zewnętrznych, tworząc idealne atomowe łożyska.[9][10] Własności te wykorzystano do konstrukcji pierwszych prostych molekularnych mechanizmów: nanorotorów[11] i nano-potencjometrów.[12]

Elektryczne [edytuj]

W zależności od ułożenia linii wiązań wzdłuż albo w poprzek nanorurki, nanorurki mogą być dobrymi przewodnikami lub półprzewodnikami. W teorii nanorurki mogą przewodzić prąd o 1000-krotnie większym natężeniu niż przewody metalowe o analogicznej masie.[13]

Termiczne [edytuj]

Wszystkie nanorurki znakomicie przewodzą ciepło wzdłuż swojej struktury (dzięki przewodnictwu balistycznemu), natomiast bardzo słabo przewodzą ciepło w poprzek. Przwiduje się że nanorurki węglowe mogą przewodzić do 6000 W/m•K w temperaturze pokojowej. Dla porównania miedź, uznawana za znakomity przewodnik ciepła przewodzi 385 W/m•K. Nanorurki wytrzymują temperatury do 2800 stopni w próżni i do około 750 stopni w powietrzu.[14]


Zastosowania [edytuj]

Propozycja połączenia dwóch nanorurek o różnych własnościach elektrycznych tak aby utworzyć diodę.

Propozycja połączenia dwóch nanorurek o różnych własnościach elektrycznych tak aby utworzyć diodę.

Ze względu na swoją wytrzymałość i elastyczność, nanorurki węglowe są dobrymi kandydatami zarówno na elementy planowanych nanomaszyn i metameteriałów jak i do zastosowań w dużej skali.

Konstrukcje [edytuj]

Choć włóka utworzone z nanorurek mogą nie mieć aż tak dobrych parametrów jak pojedyncze nanorurki, wciąż mogą znacznie przewyższać współcześnie używane materiały. [15] Obecnie pierwsze takie materiały zostały już wytworzone. Na Tour de France 2006 Floyd Landis korzystał z roweru którego konstrukcję wzmocniono nanorurkami. Pozwoliło to zmniejszyć masę ramy roweru do jednego kilograma.[16] Materiały tego typu potencjalnie mogą znaleźć wiele zastosowań w przyszłej inżynierii.

W badaniach w 2006 roku znaleziono nanorurki w stali damasceńskiej, co mogłoby tłumaczyć jej legendarną twardość.[17] [18]

Jednym z najbardziej ambitnych projektów jest użycie nanorurek do konstrukcji windy kosmicznej. Wymaga to jednak znacznego postępu zarówno w ilości jak i jakości wytwarzanych materiałów z nanorurek.[19]

Układy elektroniczne [edytuj]

Nanorurki mogą stać się podstawą przyszłych układów elektronicznych. Przy ich pomocy stworzono już tranzystory mogące działać w temperaturze pokojowej i przełączać się przy użyciu pojedynczego elektronu.[20]

Jedną z głównych przeszkód przed budowaniem większych układów był brak technologii do tworzenia nanorurek w wystarczających ilościach. W 2001 roku IBM zademonstrował metodę wytwarzania tranzystorów na masową skalę, w procesie nazwanym "konstruktywną destrukcją".[21] Metoda ta umożliwiła stworzenie układu zawierającego ponad miliard właściwie ułożonych złącz z nanorurek. Niewłaściwe łącza można było usunąć korzystając ze standardowej litografii.[22] W 2004 roku uzyskano pierwszy układ pamięci oparty o nanorurki.[23]

Przypisy [edytuj]

  1. Dekker, et al., (1999)
  2. Derycke, et al., (2001)
  3. Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics - Scientific American; Grudzień 2000
  4. Zhu, et al. (2002)
  5. Liu et al 2002 Phys. Rev. Lett. 88 217206)
  6. Computer Physics Communications 146 (2002), Maria Huhtala, Antti Kuronen, Kimmo Kaski
  7. Min-Feng Yu et. al (2000), Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load, Science 287, 637-640
  8. Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics - Scientific American December 2000, 69
  9. http://dx.doi.org/10.1126/science.289.5479.505e
  10. John Curnings et al. (2000), Low-Friction Nanoscale Linear Bearing Realized from Multiwall Carbon Nanotubes, Science 289, 602-604
  11. A. M. Fennimore et al. (2003), Rotational actuators based on carbon nanotubes, Nature 424, 408-410
  12. John Curnings et.al. (2004), Localization and Nonlinear Resistance in Telescopically Extended Nanotubes, Physical Review Letters 93
  13. Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics - Scientific American December 2000, 68
  14. Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics - Scientific American December 2000, 69
  15. Zhang et al. Science (2005), 309(5738), 1215. and Dalton et al. Nature (2003), 423(6941), 703.
  16. http://news.com.com/Carbon+nanotubes+enter+Tour+de+France/2100-11395_3-6091347.html?tag=fd_carsl Visited 10-15-2006
  17. http://news.nationalgeographic.com/news/2006/11/061116-nanotech-swords.html
  18. Secret's out for Saracen sabres
  19. Philip G. Collins and Phaedon Avouris (2000), Nanotubes for Electronics, Scientific American (2000)
  20. Dekker, Postma et al (2001), Carbon Nanotube Single-Electron Transistors at Room Temperature - Science 293.5527 (July 6, 2001)
  21. Avouris, Arnold, Collins Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown - Science 292.5517 (April 27, 2001):706-9
  22. Kalaugher Scalable Interconnection and Integration of Nanowire Devices Without Registration Nano Letters 4.5 (2004):915-19
  23. Tesng et alMonolithic Integration of Carbon Nanotube Devices with Silicon MOS Technology Nano Letters 4.1 (2004):123-127


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出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

単層のカーボンナノチューブの構造 ほとんどの部分が蜂の巣状の六員環になっているが、五員環や七員環(赤色)の部分が存在し、これによって単なる円筒ではない構造を取り得る。例えば、図ではチューブの軸の方向が変化している。

単層のカーボンナノチューブの構造 ほとんどの部分が蜂の巣状の六員環になっているが、五員環や七員環(赤色)の部分が存在し、これによって単なる円筒ではない構造を取り得る。例えば、図ではチューブの軸の方向が変化している。

カーボンナノチューブ(Carbon nanotube、略称CNT)は、炭素によって作られる六員環ネットワーク(グラフェンシート)が単層あるいは多層の同軸管状になった物質。炭素同素体で、フラーレンの一種に分類されることもある。

単層のものをシングルウォールナノチューブ (SWNT)、複層のものをマルチウォールナノチューブ (MWNT) という。特に二層のものはダブルウォールナノチューブ (DWNT) とも呼ばれる。

[編集] 性質

六員環の配列だけからも構造にいくつもの違いが産まれる。

六員環の配列だけからも構造にいくつもの違いが産まれる。
  • 一様な平面のグラファイト(グラフェンシート)を丸めて円筒状にしたような構造をしており、両端はフラーレンの半球のような構造で閉じられており5員環を必ず6個ずつ持つ。
    • 電場をかけると5員環から電子が放出されるためFED平面蛍光管冷陰極管のカソード(陰極)デバイスへの応用も研究されている。また、X線の発生源としての研究も進められている。
    • 5員環の数が少ないため有機溶媒等には溶けず、超音波処理などにより分散するだけである(一部、極性の高い有機溶媒への分散は容易とされている)。
  • 構造(6員環の配列や直径など)によって電気伝導率が変わるため、シリコン以後の半導体の素材としても期待されている。
    • 導体としてのCNTは集積回路配線材料として用いる研究が行われている。
    • 半導体としてのCNTをゲート電極(チャンネル)として用いることで、高速スイッチング素子として用いられることが期待される。
  • 内部に筒状の中空空間を有しているため、様々な分子を内包させることが期待されている。燃料電池の電極などとして注目されている。
  • アルミニウムの半分という軽さ、鋼鉄の20倍の強度(特に繊維方向の引っ張り強度ではダイヤモンドすら凌駕する)と非常にしなやかな弾性力を持つため、将来軌道エレベータ(宇宙エレベータ)を建造するときにロープの素材に使うことができるのではないかと期待されている。
  • 微細繊維の形をとる場合があるため、アスベスト状の毒性を示す可能性があると指摘されている。
  • ナノオーダーの1次元的物質故、原子間力顕微鏡の探針やナノピンセットなどにも応用が期待される。

この他にも色々な性質を秘めているのではないかと期待され、さらなる利用価値を探して世界中で研究が進められている。

単 一の構造(キラリティー)を持ったナノチューブだけでは作製できていないため、現在では、CNTを数本並べて高電圧を印加することで、導電性の CNTを焼き切るという方法をとって、半導体デバイスとして利用している。また、過酸化水素中で環流させると半導体チューブは酸化され金属チューブのみに 精製される。半導体デバイスや配線材料に利用するためには作製方法のブレイクスルーが必要であろう。

[編集] カーボンナノチューブの発見

1991年、日本の飯島澄男(当時NEC筑波研究所。現NEC特別主席研究員、名城大学理工学部教授、科学技術振興事業団)によって、フラーレンを作っている途中にアーク放電した炭素電極の陰極側の堆積物中から発見された。この発見はセレンディピティだけでなく、高度な電子顕微鏡技術も大きな役割を果たしていた。また、電子顕微鏡で観察・発見したというだけでなく、電子線回折像からナノチューブ構造を正確に解明した点に大きな功績が認められている。このときのCNTは多層CNT (MWNT) であった。この業績から飯島はノーベル賞候補のひとりと言われている。

[編集] 作製方法

[編集] アーク法

  • 黒鉛電極をアーク放電で蒸発させた際に陰極堆積物の中にMWNTが含まれる。その際の雰囲気ガスはHeやAr、CH4、H2などである。
  • 金属触媒を含む炭素電極を黒鉛電極をアーク放電で蒸発させるとSWNTが得られる。金属はNiやCo、Y、Feなどである。

[編集] レーザーアブレーション法

  • Ni-Co、Pd-Rdなどの金属触媒を混ぜた黒鉛にYAGレーザーを当て蒸発させ、Arの気流で1200℃程度の電気炉に送り出すと炉の壁面に付着したSWNTが得られる。
  • 高純度なSWNTが得られるが、大量合成には向かない。触媒の種類と炉の温度を変えることで直径を制御できる。

[編集] CVD法

  • 触媒金属のナノ粒子とメタン (CH4) やアセチレン (C2H2) などの炭化水素を500~1000℃で熱分解してCNTを得る。

[編集] HiPCO法

  • High Pressure Carbon monooxideの略でCVD法の一種で触媒にペンタカルボニル鉄 (Fe(CO)5) を用い、一酸化炭素を高圧で熱分解することにより高純度で比較的小さな直径(1nm前後)のSWNTを得る。
  • Nanotechnologies Inc.より市販されており、日本では住友商事を通して購入できる。

[編集] スーパーグロースCVD法

  • 産業技術総合研究所ナノカーボン研究センターにおいて、畠賢治らによりスーパーグロースCVD法が発表された。CVD法の一種である本法は高効率、高純度な単層ナノチューブを得ることができる。
  • その効率は2000倍といわれ、純度等の問題も併せて量産が難しかったナノチューブの量産を実現する技術として期待されている。また、この技術を用いると、その配向性の高さから、花びらのような構造体を成長させることも可能である。
  • この方法で合成されたカーボンナノチューブは、基板の上に貝割れ大根のように上向きに密集して成長する。また同研究センターは2006年11月に、単層カーボンナノチューブの優れた物理・化学特性を保持したまま配向高密度化した固体の開発に成功した、とプレス発表した。

[編集] 関連項目


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Le nanotube est une structure cristalline particulière, de forme tubulaire, creuse et close, composée d'atomes disposés régulièrement en pentagones, hexagones et/ou heptagones, obtenue à partir de certains matériaux, en particulier le carbone et le nitrure de bore.

Un nanotube de carbone.

Un nanotube de carbone.
Un nanotube de carbone monofeuillet.

Un nanotube de carbone monofeuillet.

Nanotubes de carbone [modifier]

Les nanotubes de carbone sont une forme de structure cristalline du carbone proche des fullerènes. Ils sont un des premiers produits industriels du domaine des nanotechnologies.

Image d'un bout de nanotube réalise par un microscope électronique

Image d'un bout de nanotube réalise par un microscope électronique

Les fullerènes ont été découverts en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley (ils ont obtenu collectivement le prix Nobel de chimie en 1996 pour leurs travaux sur les fullerènes).

En 1990, Wolfgang Kraetschmer et Don Huffman découvrent un procédé permettant de synthétiser des quantités importantes de fullerènes, permettant à la recherche de travailler sur des échantillons plus significatifs.

Les nanotubes eux-mêmes ont été découverts en 1991 par Sumio Iijima, dans un sous-produit de fullerènes.

Structure [modifier]

Il existe deux types de nanotubes de carbone :

  • les nanotubes de carbone monofeuillets, en anglais Single Wall Carbon Nanotubes (SWNT) ;
  • les nanotubes de carbone multifeuillets, en anglais Multi Wall Carbon Nanotubes (MWNT).

Nanotubes de carbone monofeuillets (SWNT, single walled nanotubes) [modifier]

Animation d'un nanotube de carbone monofeuillet

Animation d'un nanotube de carbone monofeuillet

La structure d'un nanotube de carbone monofeuillet peut être représentée par un feuillet de graphène enroulé sur lui-même et fermé à ses deux extrémités par une demi-sphère. La façon dont le feuillet de graphène est replié sur lui-même définit un paramètre, appelé hélicité, qui fixe la structure du nanotube. L'hélicité permet de caractériser les différents types de nanotubes existants.

Enroulement [modifier]

L'enroulement consiste à superposer deux hexagones du feuillet de graphène. C'est le choix de ces deux hexagones qui va déterminer le diamètre du nanotube ainsi que son hélicité (θ). Pour définir cette hélicité, on prend une direction de référence parallèle à un côté d'un hexagone et on mesure l'hélicité comme l'angle entre l'axe du cylindre formé et cette direction de référence. De ce fait, l'angle θ varie de 0 à 30° compte tenu de la symétrie du réseau hexagonal. Cet angle permet donc de classer les nanotubes de carbone en différentes familles selon leur hélicité. On obtient deux grandes familles de nanotubes : les nanotubes chiraux et les nanotubes non chiraux. Les nanotubes non chiraux sont ceux dont les hexagones de la partie supérieure du cylindre ont la même orientation que ceux de la partie inférieure. Dans ce cas lorsque θ vaut 30° on a un tube dit « chaise » et quand θ vaut 0° on a un tube dit « zig zag ». Lorsque les orientations des hexagones sont différentes (les rangées d'hexagones des parties supérieure et inférieure font entre elles un angle de valeur 2 θ) on a des tubes chiraux qui forment une vis d'Archimède.

Extrémités [modifier]

On obtient ainsi un tube ouvert à ses deux extrémités, il reste donc à le fermer. Pour cela il faut introduire des défauts de courbure dans le plan de graphène, il s'agit ici de pentagones.

Ces pentagones introduisent une courbure de 112° dans le feuillet et les lois mathématiques d'Euler montrent qu'il faut un minimum de 12 pentagones pour fermer le feuillet (soit 6 pentagones à chaque extrémité du tube). Les études montrent que la molécule de C60 contient justement 12 pentagones et 20 hexagones : il s'agit donc de la plus petite fullerène possible. Cependant, alors qu'une distribution théorique régulière de ces pentagones donne une forme hémisphérique, on observe le plus souvent une pointe de forme conique.

On a donc montré que le nanotube de carbone est formé avec un feuillet de graphène auquel on a ajouté de la courbure simple pour rouler ce feuillet sur lui-même et des défauts de topologie pour fermer ses extrémités. Un nanotube a un diamètre compris entre 1 et 10 nanomètres pour une longueur de plusieurs micromètres et est de ce fait un objet de taille moléculaire et possédant un caractère monodimensionnel. (L'une des dimensions est bien plus grande que les deux autres, ici la longueur face au diamètre).

Nanotubes de carbone multifeuillets (MWNT, multiwalled Nanotubes) [modifier]

Un nanotube de carbone multifeuillet est constitué de plusieurs feuillets de graphènes enroulés les uns autour des autres. Il existe deux modèles pour décrire la structure des nanotubes multifeuillets. Dans le modèle poupée russe, les plans de graphènes sont arrangées en cylindres concentriques. Dans le modèle parchemin, un seul feuillet de graphène est enroulé sur lui même, comme une feuille de papier.

Propriétés [modifier]

Les nanotubes de carbone suscitent un énorme intérêt dans le monde de la recherche autant fondamentale qu'appliquée car leurs propriétés sont exceptionnelles à bien des égards. D'un point de vue mécanique, ils présentent à la fois une excellente rigidité (mesurée par le module d'Young), comparable à celle de l'acier, tout en étant extrêmement légers. Des points de vue électrique et optique, les nanotubes monofeuillets ont la particularité tout à fait exceptionnelle de pouvoir être soit métalliques soit semi-conducteurs en fonction de leur géométrie (diamètre du tube et angle d'enroulement de la feuille de graphène).

Propriétés mécaniques [modifier]

Les nanotubes se montrent intéressants par les principales caractéristiques suivantes :

Résilience [modifier]

Bien que difficile à vérifier expérimentalement (la petite taille des nanotubes ne permet pas de véritables tests de contrainte pour l'instant), la résistance des nanotubes de carbone devrait être (d'après des simulations informatiques) environ 200 fois supérieure à l'acier pour un poids 6 fois moindre (à section équivalente).

Ces propriétés varient aussi selon la nature du nanotube. Les nanotubes multifeuillets sont beaucoup plus résistants que les nanotubes monofeuillets.

Dureté [modifier]

Certains nanotubes sont plus durs que le diamant, selon cette étude.

Conductivité thermique [modifier]

Les nanotubes de carbone ont une conductivité thermique plus grande que celle du diamant (de 6 à 20 W.cm-1.K-1).

Propriétés électriques [modifier]

  • Les nanotubes ont une conductivité supérieure à celle du cuivre (et 70 fois supérieure à celle du silicium).
  • Le nanotube de carbone a la plus grande mobilité [1] jamais mesurée : 100 000 cm².V-1s-1 à 300 K (le précédent record étant de 77 000 cm².V-1s-1 pour l'antimoniure d'indium).
  • Les nanotubes de carbone sont supraconducteurs à basse température.
  • Les nanotubes de carbone permettent de réaliser des transistors à un niveau de miniaturisation jamais atteint jusqu'à maintenant. Des chercheurs d'IBM ont d'ores et déjà réussi à créer un transistor sur un nanotube.
  • Les nanotubes de carbone pourraient également permettre de réaliser des émetteurs de champs (d'électrons, en d'autres termes) à l'échelle du nanomètre.

Les propriétés électriques des nanotubes dépendent de la nature du nanotube : les nanotubes monofeuillets ont des meilleures propriétés que les multi-feuillets (ces derniers ont de moins bonnes propriétés en partie à cause des interactions électriques, de type van der Waals, entre les différentes couches de graphène).

Propriétés d'émission de champ [modifier]

Les nanotubes peuvent présenter une longueur extrêmement grande devant leur diamètre (rapport d'aspect >1000). Soumis à un champ électrique, ils vont donc présenter un très fort effet de pointe (cf. principe du paratonnerre). Avec des tensions relativement faibles, on peut générer à leur extrémité des champs électriques colossaux, capables d'arracher les électrons de la matière et de les émettre vers l'extérieur. C'est l'émission de champ. Cette émission est extrêmement localisée (à l'extrémité du tube) et peut donc servir à envoyer des électrons sur un endroit bien précis, un petit élément de matériau phosphorescent qui constituera le pixel d'un écran plat par exemple. Le matériau phosphorescent évacue l'énergie reçue sous forme de lumière (même principe que les écrans de tubes cathodiques). L'exploitation de cette propriété a déjà permis de réaliser des prototypes d'écrans plats à nanotubes (Samsung et Motorola). [2].

Propriétés chimiques [modifier]

Les nanotubes sont des structures creuses, que l'on peut remplir avec d'autres composés chimiques, ce qui en fait des récipients clos à l'échelle nanométrique, appelés nanofils. Les nanotubes de carbone sont relativement peu réactifs et une modification chimique de leur surface fait souvent appel à des espèces fortement réactives (oxydants forts, réducteurs forts, espèces radicalaires par exemple). C'est pourquoi une chimie de greffage de nanotubes basée sur des interactions non covalentes s'est fortement développée ces dernières années (adsorption de tensioactifs, enroulement de polymères, d'ADN, adsoprtion de pyrènes, etc).

Propriétés optiques [modifier]

Propriétés d'électroluminescence [modifier]

Des chercheurs d'IBM ont indiqué avoir réussi à faire émettre de la lumière infra-rouge par des nanotubes de carbone semi-conducteurs placés dans une géométrie de transistor. Les nanotubes non dopés et soumis à un champ électrique généré par une grille peuvent conduire le courant par l'intermédiaire d'électrons (tension de grille négative) ou de trous (tension de grille positive). Si on soumet en plus le nanotube à une tension drain-source (entre les deux extrémités du tube), le courant est transporté par des trous à une extrémité et des électrons à l'autre (transistor ambipolaire). À l'endroit où ces deux types de porteurs se rencontrent (par exemple au milieu du tube si la tension de grille est nulle), il y a recombinaison de paires électron-trou et émission d'un photon.

Propriétés de photoluminescence [modifier]

Défauts [modifier]

Comme dans de nombreux matériaux, l'existence de défauts affecte ses propriétés. Ils peuvent se présenter sous la forme :

  • de vides atomiques (atomes manquant dans la structure du graphène). De tels défauts peuvent affecter la résistance physique des nanotubes, voire dans les cas plus graves la faire baisser de 15% [3].
  • de Stone Wales defect: au lieu de former des hexagones, les atomes de carbones se réarrangent en pentagones ou en heptagones.

De par leur structure presque uni-dimensionelle, la résistance physique des nanotubes dépend de la section la plus faible : comme sur une chaine, la résistance de celle-ci est celle du maillon le plus faible.

Les propriétés électriques sont aussi affectées par ces défauts. En général, la zone présentant un défaut est moins bonne conductrice.

Il en est de même pour les propriétés thermiques.

Synthèse des nanotubes de carbone [modifier]

Il existe plusieurs manières de synthèse. On peut citer deux grandes familles: les synthèses à haute température, et les synthèses à moyenne température, ou CVD (Chemical Vapour Deposition)

Méthodes à haute température [modifier]

C'est la méthode préférentielle pour obtenir des nanotubes monofeuillets. Sous des conditions de température et de pression élevées, on fait évaporer du carbone (du graphite, le plus souvent) dans une atmosphère de gaz rare, en général de l'hélium ou de l'argon.

Différentes méthodes [modifier]

Ablation par arc électrique [modifier]

C'est la méthode historique utilisée par Sumio Iijima (qui observa le premier les nanotubes de carbone). On établit en fait un arc électrique entre deux électrodes de graphite. Une électrode, l'anode, se consume pour former un plasma dont la température peut atteindre 6 000 °C. Ce plasma se condense sur l'autre électrode, la cathode, en un dépôt caoutchouteux et filamenteux évoquant une toile d'araignée très dense et contenant les nanotubes. C'est un procédé très peu coûteux et assez fiable. Cependant le processus est tellement complexe qu'au final on a que peu de contrôle sur le résultat. De plus, la haute température nécessaire au procédé ne permettait pas d'obtenir en grande quantité un matériau exploitable (les nanotubes ont tendance à fondre partiellement et à s'agglutiner).

Ablation par laser [modifier]

Ce second procédé de vaporisation, mis au point à partir 1992, consiste à ablater une cible de graphite avec un rayonnement laser de forte énergie pulsé ou continu. Le graphite est soit vaporisé soit expulsé en petits fragments de quelques atomes. C'est un procédé coûteux mais plus facile de contrôle, ce qui permet d'étudier la synthèse et de n'obtenir que les produits désirés.

Ce procédé permit de faire baisser la température de la réaction à 1 200 °C.

Synthèse dans un four solaire [modifier]

On concentre en fait l'énergie solaire sur le graphite pour atteindre la température de vaporisation. Ce procédé permet de synthétiser en moyenne de 0.1 g à 1 g de nanotube par « expérience». [4]

Avantages et inconvénients [modifier]

Avantages :

  • ces méthodes permettent de synthétiser, des nanotubes monofeuillets (alors qu'avec les autres méthodes on obtient uniquement des nanotubes multifeuillets, ou un mélange indissociable) ;
  • elles permettent de former des produits très purs.

Inconvénients :

  • on n'a aucun contrôle sur la longueur des nanotubes ;
  • il se forme de véritables amas qu'il faut dissocier pour pouvoir faire des applications.

Une méthode pour utiliser les produits de ces synthèses consiste à disperser les nanotubes dans une solution aqueuse grâce à des tensio-actifs (les nanotubes sont hydrophobes). La dispersion est extrudé dans une solution visqueuse contenant un polymère qui déstabilise la suspension et conduit à l'agrégation des nanotubes sous formes de rubans fins. Ces rubans, de quelques microns d'épaisseur et quelques millimètres de largeurs sont constitués de nanotubes enchevêtrés qui présentent une orientation préférentielle, due à l'écoulement. Lorsqu'on laisse sécher ces rubans à l'air, ils se contractent, l'eau contenue dans ces rubans étant évacuée par capillarité, jusqu'à former des fibres denses, utilisables pour des applications similaires à celles des fibres de carbone.

Méthode CVD [modifier]

On part ici d'une source de carbone liquide (toluène, benzène, cyclohexane) à laquelle on ajoute un précurseur métallique. On utilise fréquemment du ferrocène (C5H10-Fe-C5H10) (parfois du nickelocène C5H10-Ni-C5H10). On transforme la solution en aérosol (fines gouttelettes) transportées alors par un gaz inerte (de l'argon en général) jusqu'à un four à une température comprise entre 750 °C et 900 °C . Les nanotubes « poussent » alors, soit sur la paroi en verre du tube, soit sur une plaque de silicium (placée pour faciliter la récupération des nanotubes, on récupère après réaction la plaque ou les nanotubes sont alignés). On récupère des nanotubes multifeuillets, alignés, d'une longueur d'environ 200 μm. L'apport continu de réactifs va obliger les nanotubes naissant à prendre le moins de place possible, donc de s'aligner tous dans une direction, la verticale du lieu ou ils poussent, ce qui explique pourquoi on obtient des nanotubes alignés.

Après réaction les nanotubes contiennent encore des impuretés (principalement le métal de départ, fer ou nickel), qu'il faut éliminer. On « recuit » donc les nanotubes (sous atmosphère de gaz inerte, car la présence de dioxygène détruirait les nanotubes), ce qui a pour effet d'ouvrir les demi-fullrenènes aux extrémités, permettant aux impuretés de sortir. Cette re-cuisson présente aussi l'avantage de rendre les nanotubes encore plus rectilignes, en éliminant les éventuels défauts (partie d'une couche de graphène « cassée » ce qui fait que les différentes couches s'entrechoquent) [5].

Etat de la technologie [modifier]

En juin 2005, des chercheurs du Nanotech Institute de l'université de Dallas (Texas, États-Unis d'Amérique) et de la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (Csiro, Australie) sous la houlette de Mei Zhang ont publié un article dans la revue Science indiquant qu'ils avaient mis au point une méthode permettant de produire un à sept mètres par minute de nanotubes de quelques centimètres de large et quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur. Ce processus devrait permettre de faire tomber la principale barrière à la mise en application de cette matière qui pourra participer à l'émergence rapide de nouveaux produits finis.

En 2005, l'équipe de Ray Baughman de l'Université du Texas à Dallas aux États-Unis a publié une méthode permettant de produire jusqu'à dix mètres de nano-ruban par minute. Bien que l'on sache fabriquer des nano-rubans depuis quelques années, leur fabrication se révélait fastidieuse et longue.

Transparents, les nano-rubans ont d'autres propriétés assez spectaculaires. Après un simple lavage à l'éthanol, le ruban ne fait que 50 nanomètres d'épaisseur et un kilomètre carré ne pèse que 30 kilogrammes.

Cette production accélérée pourrait permettre d'utiliser les rubans de nanotube dans plusieurs domaines, comme dans l'industrie automobile (un ruban de nanotube sera coincé entre les vitres des voitures et en l'alimentant en courant, il les dégivrera) ou l'audiovisuel pour fabriquer des écrans enroulables.

Des recherches en cours étudient la possibilité de remplacer le filament d'ampoule, normalement en tungstène par un nano-ruban. À température égale, le filament en nanotube aurait un rendement lumineux supérieur à celle du tungstène car en plus de l'émission lumineuse dû à l'effet de corps noir se rajoute un effet de luminescence. Toutefois une commercialisation de ces ampoules n'est pas envisagée avant 2010.

Au mois d'avril 2007, des chercheurs de l'Université de Cincinnati aux USA ont annoncé avoir synthétisé des nanotubes de près de 2 cm de long, soit 900.000 fois leur section. Les chercheurs Vesselin Shanov et Mark Schulz, assistés du post-doc Yun Yeo Heung et de quelques étudiants ont utilisé la méthode de la déposition chimique de couches minces de matériaux par vapeur, dans un fourneau appelé "EasyTube 3000". Selon les chercheurs, ce n'est qu'un début.

Problèmes [modifier]

Les nanotubes de carbone sont très intéressants relativement à leurs propriétés assez exceptionnelles. Cependant plusieurs problèmes se posent:

  • D'une part leur coût. Si de plus en plus d'entreprises se mettent à fabriquer des nanotubes, les procédés sont encore relativement coûteux, rendant l'utilisation « industrielle » des nanotubes prohibitive.
  • les nanotubes, comme d'autres nanomolécules, présentent des risques de pollution nanométrique.

Applications [modifier]

Propriétés physiques [modifier]

Grâce à leurs propriétés physiques, les nanotubes de carbones sont susceptibles à l'avenir d'être utilisés dans de nombreux domaines, notamment:

  • dans les vêtements : possibilité de faire des vêtements (normaux) plus résistants et imperméables ou dans la confection de gilets pare-balles. Il serait également possible de créer des vêtements autonettoyants.
  • dans les polyéthylènes: des chercheurs ont découvert qu'en mettant des nanotubes dans du polyéthylène celui-ci devenait jusqu'à 30% plus élastique.
  • dans certains équipements sportifs pour remplacer la fibre de carbone (raquettes de tennis, vélos, kayaks ...)
  • dans le stockage de l'hydrogène (par absorption), notamment dans le cadre des piles à combustibles

Ou encore dans un domaine qui relève actuellement de la science-fiction, la construction d'un ascenseur spatial.

Propriétés chimiques [modifier]

Il s'agit ici d'exploiter la cavité protectrice que forme le nanotube de carbone.

  • réservoirs à hydrogène (contenant ce dernier à l'état gazeux ou sous forme d'hydrure métallique), de façon à stocker celui-ci de façon plus efficace qu'actuellement (en bouteille).
  • dans les disques durs : ils serviraient de réservoirs de lubrifiant, celui-ci étant détruit par les têtes d'écriture laser [6]
  • Le 19 mai 2006, des chercheurs de l'université de Berkeley et de Livemoer, en Californie, ont trouvé une nouvelle application pour les nanotubes : ils pourraient servir à séparer différents gaz ou liquides. En effet, ces chercheurs ont démontré que les molécules passaient bien plus facilement à travers ces tubes que dans d'autres pores de taille équivalente.

Nanotubes à base d'autres composants [modifier]

Nitrure de bore [modifier]

En 1994, l'École polytechnique de France a réussi à produire des nanotubes à partir de nitrure de bore. Leurs propriétés sont encore imprécises, mais on sait pour l'instant qu'ils sont un isolant électrique, qu'ils pourraient avoir des propriétés de conduction de la lumière, ce qui pourrait les rendre utiles en optronique, et des propriétés d'émission de champs.

Autres [modifier]

Des nanotubes ont été produits à partir d'autres composés chimiques :

Notes et références [modifier]

  1. mesure du déplacement des électrons sous l'effet du champ électrique; elle s'exprime en cm².V-1.s-1
  2. (fr) Motorola met des nanotubes dans ses écrans
  3. (en) Mechanical properties of carbon nanotubes with vacancies and related defects [pdf]
  4. Ce procédé est utilisé par la société Nanoledge basée à Montpellier.
  5. Cette méthode est notamment utilisée par le Laboratoire Francis Perrin.
  6. (fr) Seagate veut utiliser des nanotubes dans ses disques durs

Voir aussi [modifier]

Pages sur ce thème sur les projets Wikimedia :


Liens internes [modifier]


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Nanotubos de carbono.

Nanotubos de carbono.

Se denomina nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono son una forma elemental de carbono, como el diamante, el grafito o los fulerenos. Se pueden ver como láminas de grafito enrolladas sobre sí mismas. Se conocen derivados en los que el tubo está cerrado por media esfera de fulereno, y otros que no están cerrados. También se conocen nanotubos monocapa (un sólo tubo) y multicapa (varios tubos concéntricos, como muñecas rusas).

Están siendo estudiados activamente, como los fulerenos, por su interés fundamental para la química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por ejemplo, la primera sustancia conocida por la humanidad capaz de sustentar indefinidamente su propio peso, una condición necesaria para la construcción de un ascensor espacial.

Línea de tiempo de los nanotubos [editar]

  • 1991 Descubrimiento
  • 1991-2000 Producto mayormente de interés académico
  • 2000-2005 Se investiga su uso industrial
  • 2005-2010 Desarrollo de aplicaciones industriales (proyectado)
  • 2010 Gran desarrollo de aplicaciones integradas a productos (proyectado)

Principales métodos de manufactura [editar]

  1. Ablación láser (Alta pureza, poca cantidad)
  2. Descarga de arco (Alta pureza, poca cantidad)
  3. CVD (Chemical vapor deposition) Deposición química de vapor (gran cantidad, buena calidad). Se puede hacer el aumento de escala fácilmente.

Primeras aplicaciones industriales [editar]

Al agregar pequeñas cantidades de nanotubos a polímeros, cambian sus propiedades eléctricas y esto da lugar a las primeras aplicaciones industriales:

  • Automóviles: Mangueras antiestáticas de combustible
  • Automóviles: Partes plásticas conductoras para pintado spray electrostático
  • Aeroespacio: partes de aviones
  • Packaging: Antiestático para electrónicos
  • Tintas conductoras

Véase también [editar]

Enlaces externos [editar]

Commons

Software de Modelización Molecular de nanotubos:


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3D model of three types of single-walled carbon nanotubes.

3D model of three types of single-walled carbon nanotubes.
This animation of a rotating Carbon nanotube shows its 3D structure.

This animation of a rotating Carbon nanotube shows its 3D structure.

Carbon nanotubes (CNTs) are allotropes of carbon. A single wall carbon nanotube is a one-atom thick sheet of graphite (called graphene) rolled up into a seamless cylinder with diameter of the order of a nanometer. This results in a nanostructure where the length-to-diameter ratio exceeds 10,000. Such cylindrical carbon molecules have novel properties that make them potentially useful in many applications in nanotechnology, electronics, optics and other fields of materials science. They exhibit extraordinary strength and unique electrical properties, and are efficient conductors of heat. Inorganic nanotubes have also been synthesized.

Nanotubes are members of the fullerene structural family, which also includes buckyballs. Whereas buckyballs are spherical in shape, a nanotube is cylindrical, with at least one end typically capped with a hemisphere of the buckyball structure. Their name is derived from their size, since the diameter of a nanotube is on the order of a few nanometers (approximately 50,000 times smaller than the width of a human hair), while they can be up to several millimeters in length. Researchers at the University of Cincinnati (UC) have developed a process to build extremely long aligned carbon nanotube arrays. They've been able to produce 18-mm-long[1] carbon nanotubes which might be spun into nanofibers. There are two main types of nanotubes: single-walled nanotubes (SWNTs) and multi-walled nanotubes (MWNTs).

The nature of the bonding of a nanotube is described by applied quantum chemistry, specifically, orbital hybridization. The chemical bonding of nanotubes are composed entirely of sp2 bonds, similar to those of graphite. This bonding structure, which is stronger than the sp3 bonds found in diamond, provides the molecules with their unique strength. Nanotubes naturally align themselves into "ropes" held together by Van der Waals forces. Under high pressure, nanotubes can merge together, trading some sp2 bonds for sp3 bonds, giving great possibility for producing strong, unlimited-length wires through high-pressure nanotube linking.[2]

[edit] Discovery

See also: Timeline of carbon nanotubes

A 2006 editorial written by Marc Monthioux and Vladimir Kuznetsov in the journal Carbon has described the interesting and often misstated origin of the carbon nanotube. A large percentage of academic and popular literature attributes the discovery of hollow, nanometer sized tubes composed of graphitic carbon to Sumio Iijima of NEC in 1991.[3]

In 1952 Radushkevich and Lukyanovich published clear images of 50 nanometer diameter tubes made of carbon in the Russian Journal of Physical Chemistry[4]. This discovery was largely unnoticed, the article was published in the Russian language, and Western scientists' access to Russian press was limited during the Cold War. It is likely that carbon nanotubes were produced before this date, but the invention of the transmission electron microscope allowed the direct visualization of these structures.

Carbon nanotubes have been produced and observed under a variety of conditions prior to 1991. A paper by Oberlin, Endo, and Koyama published in 1976 clearly showed hollow carbon fibres with nanometer-scale diameters using a vapour-growth technique.[5] Additionally, the authors show a TEM image of a nanotube consisting of a single wall of graphene. Later, Endo has referred to this image as a single-walled nanotube.[6]

In 1981 a group of Ukrainian scientists published the results of chemical and structural characterization of carbon nanoparticles produced by a thermocatalytical disproportionation of carbon monoxide. Using TEM images and XRD patterns, the authors suggested that their “Carbon multi-layer tubular crystals” were formed by rolling graphene layers into cylinders. Additionally, they speculated that during rolling graphene layers into a cylinder, many different arrangements of graphene hexagonal nets are possible. They suggested two possibilities of such arrangements: circular arrangement (armchair nanotube) and a spiral, helical arrangement (chiral tube).[7]

In 1987, Howard G. Tennent of Hyperion Catalysis was issued a U.S. patent for the production of "cylindrical discrete carbon fibrils" with a "constant diameter between about 3.5 and about 70 nanometers…, length 10² times the diameter, and an outer region of multiple essentially continuous layers of ordered carbon atoms and a distinct inner core…."[8].

Iijima's discovery of carbon nanotubes in the insoluble material of arc-burned graphite rods[9] created the buzz that is now associated with carbon nanotubes. Nanotube research accelerated greatly following the independent discoveries[10][11] by Bethune at IBM[12] and Iijima at NEC of single-walled carbon nanotubes and methods to specifically produce them by adding transition-metal catalysts to the carbon in an arc discharge. The arc discharge technique was well-known to produce the famed Buckminster fullerene on a preparative scale,[13] and these results appeared to extend the run of accidental discoveries relating to fullerenes. The original observation of fullerenes in mass spectrometry was not anticipated,[14] and the first mass-production technique by Krätschmer and Huffman was used for several years before realising that it produced fullerenes.[15]

The discovery of nanotubes remains a contentious issue, especially because several scientists involved in the research could be likely candidates for the Nobel Prize. Many believe that Iijima's report in 1991 is of particular importance because it brought carbon nanotubes into the awareness of the scientific community as a whole. See the reference for a review of the history of the discovery of carbon nanotubes.[16]

[edit] Types of carbon nanotubes

[edit] Single-walled

The (n,m) nanotube naming scheme can be thought of as a vector (Ch) in an infinite graphene sheet that describes how to "roll up" the graphene sheet to make the nanotube. T denotes the tube axis, and a1 and a2 are the unit vectors of graphene in real space.

The (n,m) nanotube naming scheme can be thought of as a vector (Ch) in an infinite graphene sheet that describes how to "roll up" the graphene sheet to make the nanotube. T denotes the tube axis, and a1 and a2 are the unit vectors of graphene in real space.

Most single-walled nanotubes (SWNT) have a diameter of close to 1 nanometer, with a tube length that can be many thousands of times longer. The structure of a SWNT can be conceptualized by wrapping a one-atom-thick layer of graphite called graphene into a seamless cylinder. The way the graphene sheet is wrapped is represented by a pair of indices (n,m) called the chiral vector. The integers n and m denote the number of unit vectors along two directions in the honeycomb crystal lattice of graphene. If m=0, the nanotubes are called "zigzag". If n=m, the nanotubes are called "armchair". Otherwise, they are called "chiral".

Single-walled nanotubes are a very important variety of carbon nanotube because they exhibit important electric properties that are not shared by the multi-walled carbon nanotube (MWNT) variants. Single-walled nanotubes are the most likely candidate for miniaturizing electronics past the micro electromechanical scale that is currently the basis of modern electronics. The most basic building block of these systems is the electric wire, and SWNTs can be excellent conductors[17]. One useful application of SWNTs is in the development of the first intramolecular field effect transistors (FETs). The production of the first intramolecular logic gate using SWNT FETs has recently become possible as well[18]. To create a logic gate you must have both a p-FET and an n-FET. Because SWNTs are p-FETs when exposed to oxygen and n-FETs when unexposed to oxygen, they were able to protect half of a SWNT from oxygen exposure, while exposing the other half to oxygen. The result was a single SWNT that acted as a NOT logic gate with both p and n-type FETs within the same molecule.

Single-walled nanotubes are still very expensive to produce, around $1500 per gram as of 2000, and the development of more affordable synthesis techniques is vital to the future of carbon nanotechnology. If cheaper means of synthesis cannot be discovered, it would make it financially impossible to apply this technology to commercial-scale applications.[19] Several suppliers offer as-produced arc discharge SWNTs for ~$50-100 per gram as of 2007.[20][21]

[edit] Multi-walled

Multi-walled nanotubes (MWNT) consist of multiple layers of graphite rolled in on themselves to form a tube shape. There are two models which can be used to describe the structures of multi-walled nanotubes. In the Russian Doll model, sheets of graphite are arranged in concentric cylinders, eg a (0,8) single-walled nanotube (SWNT) within a larger (0,10) single-walled nanotube. In the Parchment model, a single sheet of graphite is rolled in around itself, resembling a scroll of parchment or a rolled up newspaper. The interlayer distance in multi-walled nanotubes is close to the distance between graphene layers in graphite, approximately 3.3 Å. The special place of double-walled Carbon Nanotubes (DWNT) must be emphasized here because they combine very similar morphology and properties as compared to SWNT, while improving significantly their resistance to chemicals. This is especially important when functionalisation is required (this means grafting of chemical functions at the surface of the nanotubes) to add new properties to the CNT. In the case of SWNT, covalent functionalisation will break some C=C double bonds, leaving "holes" in the structure on the nanotube and thus modifying both its mechanical and electrical properties. In the case of DWNT, only the outer wall is modified. DWNT synthesis on the gram-scale was first proposed in 2003[22] by the CCVD technique, from the selective reduction of oxides solid solutions in methane and hydrogen.

[edit] Fullerite

Fullerites are the solid-state manifestation of fullerenes and related compounds and materials. Being highly incompressible nanotube forms, polymerized single-walled nanotubes (P-SWNT) are a class of fullerites and are comparable to diamond in terms of hardness. However, due to the way that nanotubes intertwine, P-SWNTs don't have the corresponding crystal lattice that makes it possible to cut diamonds neatly. This same structure results in a less brittle material, as any impact that the structure sustains is spread out throughout the material.

[edit] Torus

A nanotorus is a theoretically described carbon nanotube bent into a torus (donut shape). Nanotori have many unique properties, such as magnetic moments 1000 times larger than previously expected for certain specific radii.[23] Properties such as magnetic moment, thermal stability, etc. vary widely depending on radius of the torus and radius of the tube.[24]


[edit] Nanobud

Nanobuds are a newly discovered material combining carbon nanotubes with fullerenes wherein the fullerenes are covalently bonded to the outer sidewalls of the underlying nanotube. This new materials exhibits properties of both carbon nanotubes and fullerenes and is expected[attribution needed] to replace both materials in many commercial applications.

[edit] Properties

[edit] Strength

Carbon nanotubes are one of the strongest and stiffest materials known, in terms of tensile strength and elastic modulus respectively. This strength results from the covalent sp2 bonds formed between the individual carbon atoms. In 2000, a multi-walled carbon nanotube was tested to have a tensile strength of 63 GPa.[25] In comparison, high-carbon steel has a tensile strength of approximately 1.2 GPa. CNTs have very high elastic moduli, on the order of 1 TPa.[26] Since carbon nanotubes have a low density for a solid of 1.3-1.4 g/cm³[27], its specific strength of up to 48,462 kN·m/kg is the best of known materials, compared to high-carbon steel's 154 kN·m/kg.

Under excessive tensile strain, the tubes will undergo plastic deformation, which means the deformation is permanent. This deformation begins at strains of approximately 5% [28] and can increase the maximum strain the tube undergoes before fracture by releasing strain energy.

CNTs are not nearly as strong under compression. Because of their hollow structure and high aspect ratio, they tend to undergo buckling when placed under compressive, torsional or bending stress.

[edit] Kinetic

Multi-walled carbon nanotubes, multiple concentric nanotubes precisely nested within one another, exhibit a striking telescoping property whereby an inner nanotube core may slide, almost without friction, within its outer nanotube shell thus creating an atomically perfect linear or rotational bearing.[29][30] This is one of the first true examples of molecular nanotechnology, the precise positioning of atoms to create useful machines. Already this property has been utilized to create the world's smallest rotational motor[31] and a nanorheostat.[32] Future applications such as a gigahertz mechanical oscillator are also envisaged.[33]

[edit] Electrical

See also: Fermi point

Because of the symmetry and unique electronic structure of graphene, the structure of a nanotube strongly affects its electrical properties. For a given (n,m) nanotube, if n - m is a multiple of 3, then the nanotube is metallic, otherwise the nanotube is a semiconductor. Thus all armchair (n=m) nanotubes are metallic, and nanotubes (5,0), (6,4), (9,1), etc. are semiconducting. In theory, metallic nanotubes can have an electrical current density more than 1,000 times greater than metals such as silver and copper[34].

[edit] Thermal

All nanotubes are expected to be very good thermal conductors along the tube, exhibiting a property known as "ballistic conduction," but good insulators laterally to the tube axis. It is predicted that carbon nanotubes will be able to transmit up to 6000 watts per meter per kelvin at room temperature; compare this to copper, a metal well-known for its good thermal conductivity, which only transmits 385 W/m/K. The temperature stability of carbon nanotubes is estimated to be up to 2800 degrees Celsius in vacuum and about 750 degrees Celsius in air.[35]

[edit] Defects

As with any material, the existence of defects affects the material properties. Defects can occur in the form of atomic vacancies. High levels of such defects can lower the tensile strength by up to 85%.[36] Another well-known form of defect that occurs in carbon nanotubes is known as the Stone Wales defect, which creates a pentagon and heptagon pair by rearrangement of the bonds. Because of the very small structure of CNTs, the tensile strength of the tube is dependent on the weakest segment of it in a similar manner to a chain, where a defect in a single link diminishes the strength of the entire chain.[37]

The tube's electrical properties are also affected by the presence of defects. A common result is the lowered conductivity through the defective region of the tube. Some defect formation in armchair-type tubes (which can conduct electricity) can cause the region surrounding that defect to become semiconducting. Furthermore single monoatomic vacancies induce magnetic properties.

The tube's thermal properties are heavily affected by defects. Such defects lead to phonon scattering, which in turn increases the relaxation rate of the phonons. This reduces the mean free path, and reduces the thermal conductivity of nanotube structures.

[edit] Synthesis

Techniques have been developed to produce nanotubes in sizeable quantities, including arc discharge, laser ablation, high pressure carbon monoxide (HiPco), and chemical vapor deposition (CVD). Most of these processes take place in vacuum or with process gases. CVD growth of CNTs can take place in vacuum or at atmospheric pressure. Large quantities of nanotubes can be synthesized by these methods; advances in catalysis and continuous growth processes are making CNTs more commercially viable.

It is now thought by some that the catalysts or methods involved in forging damascus steel (a forging technique lost to time) may provide vital hints for manufacturing nanotubes cheaply, after they were recently discovered to be a component of that ancient sword metal[38] [39].

[edit] Arc discharge

Nanotubes were observed in 1991 in the carbon soot of graphite electrodes during an arc discharge, by using a current of 100 amps, that was intended to produce fullerenes.[40]. However the first macroscopic production of carbon nanotubes was made in 1992 by two researchers at NEC's Fundamental Research Laboratory.[41] The method used was the same as in 1991. During this process, the carbon contained in the negative electrode sublimates because of the high temperatures caused by the discharge. Because nanotubes were initially discovered using this technique, it has been the most widely used method of nanotube synthesis.

The yield for this method is up to 30 percent by weight and it produces both single- and multi-walled nanotubes with lengths of up to 50 microns.[42]

[edit] Laser ablation

In the laser ablation process, a pulsed laser vaporizes a graphite target in a high temperature reactor while an inert gas is bled into the chamber. The nanotubes develop on the cooler surfaces of the reactor, as the vaporized carbon condenses. A water-cooled surface may be included in the system to collect the nanotubes.

It was invented by Richard Smalley and co-workers at Rice University, who at the time of the discovery of carbon nanotubes, were blasting metals with the laser to produce various metal molecules. When they heard of the discovery they substituted the metals with graphite to create multi-walled carbon nanotubes.[43]. Later that year the team used a composite of graphite and metal catalyst particles (the best yield was from a cobalt and nickel mixture) to synthesise single-walled carbon nanotubes.[44]

This method has a yield of around 70% and produces primarily single-walled carbon nanotubes with a controllable diameter determined by the reaction temperature. However, it is more expensive than either arc discharge or chemical vapor deposition.[45]

[edit] Chemical vapor deposition (CVD)

Nanotubes being grown by plasma enhanced chemical vapor deposition

Nanotubes being grown by plasma enhanced chemical vapor deposition

The catalytic vapor phase deposition of carbon was first reported in 1959,[46] but it was not until 1993[47] that carbon nanotubes could be formed by this process.

During CVD, a substrate is prepared with a layer of metal catalyst particles, most commonly nickel, cobalt, iron, or a combination. The metal nanoparticles can also be produced by other ways, including reduction of oxides or oxides solid solutions. The diameters of the nanotubes that are to be grown are related to the size of the metal particles. This can be controlled by patterned (or masked) deposition of the metal, annealing, or by plasma etching of a metal layer. The substrate is heated to approximately 700°C. To initiate the growth of nanotubes, two gases are bled into the reactor: a process gas (such as ammonia, nitrogen, hydrogen, etc.) and a carbon-containing gas (such as acetylene, ethylene, ethanol, methane, etc.). Nanotubes grow at the sites of the metal catalyst; the carbon-containing gas is broken apart at the surface of the catalyst particle, and the carbon is transported to the edges of the particle, where it forms the nanotubes. This mechanism is still under discussion. The catalyst particles can stay at the tips of the growing nanotube during the growth process, or remain at the nanotube base, depending on the adhesion between the catalyst particle and the substrate.

CVD is a common method for the commercial production of carbon nanotubes. For this purpose, the metal nanoparticles will be carefully mixed with a catalyst support (e.g., MgO, Al2O3, etc) to increase the specific surface area for higher yield of the catalytic reaction of the carbon feedstock with the metal particles. The main issue in this synthesis route is to wash the catalyst support via a acid treatment, which sometimes destroy the original structure of the carbon nanotubes.

If a plasma is generated by the application of a strong electric field during the growth process (plasma enhanced chemical vapor deposition), then the nanotube growth will follow the direction of the electric field.[48] By properly adjusting the geometry of the reactor it is possible to synthesize vertically aligned carbon nanotubes[1](i.e., perpendicular to the substrate), a morphology that has been of interest to researchers interested in the electron emission from nanotubes. Without the plasma, the resulting nanotubes are often randomly oriented, resembling a bowl of spaghetti. Under certain reaction conditions, even in the absence of a plasma, closely spaced nanotubes will maintain a vertical growth direction resulting in a dense array of tubes resembling a carpet or forest.

Of the various means for nanotube synthesis, CVD shows the most promise for industrial scale deposition in terms of its price/unit ratio. There are additional advantages to the CVD synthesis of nanotubes. Unlike the above methods, CVD is capable of growing nanotubes directly on a desired substrate, whereas the nanotubes must be collected in the other growth techniques. The growth sites are controllable by careful deposition of the catalyst. Additionally, no other growth methods have been developed to produce vertically aligned nanotubes.[49]

Recently, this area of synthesis has been advanced by a team of researchers at Rice University. The team, until recently led by the late Dr. Richard Smalley, has concentrated upon finding methods to produce large, pure amounts of particular types of nanotubes. Their approach grows long fibers from many small seeds cut from a single nanotube; all of the resulting fibers were found to be of the same diameter as the original nanotube and are expected to be of the same type as the original nanotube. Further characterization of the resulting nanotubes and improvements in yield and length of grown tubes are needed.[50]

CVD growth of multi-walled nanotubes is used by several companies to produce materials on the tonne scale, including NanoLab, Bayer, Arkema, Nanocyl, Nanothinx , Hyperion Catalysis, Mitsui, and Showa Denko.

[edit] Natural, incidental, and controlled flame environments

Fullerenes and carbon nanotubes are not necessarily products of high-tech laboratories; they are commonly formed in such mundane places as ordinary flames,[51] produced by burning methane,[52] ethylene,[53] and benzene,[54] and they have been found in soot from both indoor and outdoor air.[55] However, these naturally occurring varieties can be highly irregular in size and quality because the environment in which they are produced is often highly uncontrolled. Thus, although they can be used in some applications, they can lack in the high degree of uniformity necessary to meet many needs of both research and industry. Recent efforts have focused on producing more uniform carbon nanotubes in controlled flame environments.[56][57][58][59] Nano-C, Inc [60] of Westwood, Massachusetts, is producing flame synthesized single-walled carbon nanotubes. This method has promise for large scale, low cost nanotube synthesis, though it must compete with rapidly developing large scale CVD production.

[edit] Potential, Current and Ancient Applications

See also, for last current applications: Timeline of carbon nanotubes
The joining of two carbon nanotubes with different electrical properties to form a diode has been proposed.

The joining of two carbon nanotubes with different electrical properties to form a diode has been proposed.

The strength and flexibility of carbon nanotubes makes them of potential use in controlling other nanoscale structures, which suggests they will have an important role in nanotechnology engineering. The highest tensile strength an individual multi-walled carbon nanotube has been tested to be is 63 GPa.[61] Bulk nanotube materials may never achieve a tensile strength similar to that of individual tubes, but such composites may nevertheless yield strengths sufficient for many applications. Carbon nanotubes have already been used as composite fibers in polymers to improve the mechanical, thermal and electrical properties of the bulk product. A 2006 study published in Nature determined that some carbon nanotubes are present in damascus steel, possibly helping to account for the legendary strength of the (almost ancient) swords made of it[62] [63].

[edit] Structural

Because of the great mechanical properties of the carbon nanotubule, a variety of structures has been proposed ranging from everyday items like clothes and sports gear to combat jackets and space elevators [64]. However, the space elevator will require further efforts in refining carbon nanotube technology, as the practical tensile strength of carbon nanotubes can still be greatly improved.[65]

For perspective, outstanding breakthroughs have already been made. Pioneering work lead by Ray H. Baughman at the NanoTech Institute has shown that single and multi-walled nanotubes can produce materials with toughness un-matched in the man-made and natural worlds.[66]

A good example of a practical use for the carbon nanotubules is the bicycle Floyd Landis used at the 2006 Tour de France, the SLC 01 from BMC, a Swiss bike manufacturer. Carbon nanotubes were used to enhance the strength of the carbon fiber frame and made it possible to make a bicycle's frame weighing only one kilogram.[67]

Recent research by James D. Iverson and Brad C. Edwards has revealed the possibility of cross-linking CNT molecules prior to incorporation in a polymer matrix to form a super high strength composite supermaterial. This CNT composite will have a tensile strength on the order of 20 million psi (138 GPa, for 106 MN·m/kg), revolutionizing many aspects of engineering design where low weight and high strength is required.[citation needed]

[edit] In electrical circuits

Carbon nanotubes have many properties—from their unique dimensions to an unusual current conduction mechanism—that make them ideal components of electrical circuits.

Nanotube based transistors have been made that operate at room temperature and that are capable of digital switching using a single electron. [68]

One major obstacle to realization of nanotubes has been the lack of technology for mass production. However, in 2001 IBM researchers demonstrated how nanotube transistors can be grown in bulk, not very differently from silicon transistors. The process they used is called "constructive destruction" which includes the automatic destruction of defective nanotubes on the wafer.[69]

This has since then been developed further and single-chip wafers with over ten billion correctly aligned nanotube junctions have been created. In addition it has been demonstrated that incorrectly aligned nanotubes can be removed automatically using standard

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