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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]

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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.

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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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Schematische Darstellung der Struktur einer Kohlenstoffnanoröhre
Schematische Darstellung der Struktur einer Kohlenstoffnanoröhre

Kohlenstoffnanoröhren, auch CNT (carbon nanotubes), sind mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde (molekulare Nanoröhren) aus Kohlenstoff.

Ihre Wände bestehen wie die der Fullerene oder wie die Ebenen des Graphits nur aus Kohlenstoff, wobei die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen (vorgegeben durch die sp2-Hybridisierung). Der Durchmesser der Röhren liegt meist im Bereich von 1–50 nm, aber es wurden auch Röhren mit nur 0,4 nm Durchmesser hergestellt. Längen von mehreren Millimetern für einzelne Röhren und bis zu 20 Zentimetern für Röhrenbündel wurden bereits erreicht.[1]

Man unterscheidet zwischen ein- und mehrwandigen, zwischen offenen oder geschlossenen Röhren (mit einem Deckel, der einen Ausschnitt aus einer Fullerenstruktur hat) und zwischen leeren und gefüllten Röhren (beispielsweise mit Silber, flüssigem Blei oder Edelgasen).

Eigenschaften [Bearbeiten]

3D-Modell von drei verschiedenen Kohlenstoffröhren

3D-Modell von drei verschiedenen Kohlenstoffröhren

Je nach Detail der Struktur ist die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Röhre metallisch oder halbleitend; es sind auch Kohlenstoffröhren bekannt, die bei tiefen Temperaturen supraleitend sind. Es wurden bereits Transistoren und einfache Schaltungen mit den halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Die Forschung sucht nun nach Möglichkeiten, komplexe Schaltkreise aus verschiedenen Kohlenstoffnanoröhren gezielt herzustellen.

Die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind überragend:
CNTs haben eine Dichte von 1,3-1,4 g / cm3 und eine Zugfestigkeit von 45 Milliarden Pascal. Stahl hat eine Dichte von mind. 7,8 g / cm3 und eine maximale Zugfestigkeit von 2 Milliarden Pascal. Daraus ergibt sich für einzelne CNTs rechnerisch ein mind. 135-mal besseres Verhältnis von Zugfestigkeit zu Dichte als für Stahl.

Für die Elektronikindustrie sind vor allem die Strombelastbarkeit und die Wärmeleitfähigkeit interessant: Erstere liegt schätzungsweise 1000-mal höher als bei Kupferdrähten, letztere ist bei Raumtemperatur mit 6000 W/m*K beinahe doppelt so hoch wie die von Diamant (3320 W/m*K). Da CNTs auch Halbleiter sein können, lassen sich aus ihnen hervorragende Transistoren fertigen, die höhere Spannungen und Temperaturen - und damit höhere Taktfrequenzen – als Siliziumtransistoren aushalten. Erste experimentelle, funktionsfähige Transistoren aus CNTs wurden bereits hergestellt.

Gesundheitliche Auswirkungen [Bearbeiten]

Bisher noch nicht ausreichend erforscht sind gesundheitliche Effekte, die im Zusammenhang mit Kohlenstoffnanoröhrchen evtl. auftreten könnten. Eine Argumentation weist auf die längliche räumliche Struktur hin, die der von Asbest ähnelt. Studien, die auf Tierversuchen basieren, zeigen entgegengesetzte Ergebnisse, etwa in Bezug auf Entzündungsreaktionen im Lungengewebe von Mäusen. So wurden Mäusen im Versuch CNTs mit einer Konzentration injiziert, die 10.000-mal höher als die in der Umwelt zu erwartende war, ohne erkennbare Entzündungsreaktion. In neueren Arbeiten zu den toxischen Wirkungen von Kohlenstoffnanoröhren finden die bei der Synthese verbleibenden metallischen Rückstände (Kobalt, Nickel, Molybdän und Eisen) aus dem Katalysator immer mehr Beachtung. Es scheint, als gingen die akut toxischen Reaktionen auf diese Verunreinigungen zurück. Aufgereinigte Präparationen von CNTs zeigen keine akuten toxischen Effekte. Pathologische Veränderungen, wie etwa die Ausbildung von Zellagglomeraten in der Lunge, scheinen jedoch von CNTs ausgelöst zu werden, was ihnen ein durchaus schadhaftes Potential bescheinigt. Trotz der anhaltenden Kontroverse, die in begrenztem Umfang auch die Öffentlichkeit zu erreichen beginnt, lief Anfang 2004 die großindustrielle Produktion von CNTs an.

Anwendungen der Nanoröhren [Bearbeiten]

Bisher sind bis auf wenige Nischen noch keine Anwendungen für Nanoröhren in der industriellen Produktion beziehungsweise in Produkten am Markt. In der universitären und industriellen Forschung werden verschiedene Applikationen entwickelt:

Transistoren aus Nanoröhren [Bearbeiten]

Dabei wird die halbleitende Eigenschaft von CNTs ausgenutzt. An jedem Ende der Röhre befindet sich eine Elektrode (Source/Drain), um die Röhre herum ist die Steuerelektrode des Transistors angeordnet. Bei prinzipiell gleicher Funktionsweise wie ein MOSFET-Transistor erhofft man sich bessere Leistung.

Nanoröhrenspeicher [Bearbeiten]

Mit Hilfe von CNTs können nichtflüchtige Speicher realisiert werden. Dabei werden die Nanoröhren zwischen zwei Elektroden angeordnet. Ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden lässt die Nanoröhre sich bleibend zusammenziehen oder strecken. Im gestreckten Zustand stellt sie einen elektrischen Kontakt zu einer Substratelektrode dar und ermöglicht so einen Stromfluss. Laborversuche zeigen Schaltzeiten im Bereich von SRAM-Geschwindigkeiten.

Abgesehen von diesen Speichern, bei denen die Nanoröhre das Wirkprinzip realisiert, wird auch der Einsatz von Nanoröhrentransistoren und Realisierung der Kapazität bei konventionellen DRAMs durch CNTs erforscht.

Nanoröhren für Displays [Bearbeiten]

Es lassen sich Felder von parallel aufgestellten Nanoröhren herstellen, und die prinzipielle Eignung als Bauteil für flache und selbstleuchtende Bildschirme wurde bereits demonstriert: Dabei dienen die scharfen Spitzen der Nanoröhren als Quelle für Elektronen durch Feldemission (winzige Elektronenkanone, Kaltkathode schon bei relativ geringen Spannungen), die wie beim herkömmlichen Fernsehgerät gegen einen Leuchtschirm beschleunigt werden.

Nanoröhren für Messtechnik [Bearbeiten]

CNTs werden auch als Spitzen für leistungsfähigere Rastertunnelmikroskope (RTM) verwendet, die bereits im Handel verfügbar sind und die Auflösung der RTM um den Faktor 10 verbessern.

Nanoröhren zur Verbesserung von Kunststoffen [Bearbeiten]

Nanoröhren werden mit herkömmlichem Kunststoff gemischt. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe stark verbessert. Außerdem ist es möglich, elektrisch leitende Kunststoffe herzustellen.


Weitere Anwendungen [Bearbeiten]

Durch Kombination zweier Kohlenstoffnanoröhrchen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften lassen sich Dioden herstellen.

Durch Kombination zweier Kohlenstoffnanoröhrchen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften lassen sich Dioden herstellen.

Ganze Bündel von Röhren wurden bereits zu Fäden oder Matten verarbeitet, die als Werkstoff verwendet werden sollen. Bündel von Nanoröhren, die in einem Elektrolyt elektrisch aufgeladen werden, können auch als Aktuator wirken. In der Halbleitertechnik wird auch der Einsatz von Nanoröhren als metallische Verbindung, z. B. in Form von vertikalen Kontakten, erforscht, um damit Elektromigrationsprobleme zu umgehen.

Durch die Kombination zweier Nanoröhrchen verschiedenen Durchmessers und mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften lassen sich Dioden erschaffen. Man hofft, auf diese Art später ganze Computerschaltkreise aus Nanoröhren herstellen zu können.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Raumfahrt: Weltraumlifte sollen an Seilen aus Nanoröhren die Erde verlassen.

Darüber hinaus arbeitet Fujitsu derzeit an Kühlkörpern, die aus Nanoröhren bestehen. Fujitsu möchte die neuen Kühlkörper erst einmal für ihre GSM-Basisstationen einsetzen. In Zukunft könnten die Nanoröhren aber auch als CPU-Kühler eingesetzt werden.[2]

Struktur der Nanoröhren [Bearbeiten]

Benennungsschema Nanotubes

Benennungsschema Nanotubes

Kohlenstoffnanoröhren leiten sich von den Kohlenstoffebenen des Graphits ab, die zu einer Röhre aufgerollt sind: Die Kohlenstoffatome bilden eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern. Röhren mit ideal hexagonaler Struktur haben eine einheitliche Dicke und sind linear; es sind aber auch geknickte oder sich verengende Röhren möglich, die fünfeckige Kohlenstoffringe enthalten. Je nachdem, wie das Wabennetz des Graphits zur Röhre gerollt wird („gerade“ oder „schräg“), entstehen helikale (schraubenartig gewundene) und auch nicht spiegelsymmetrische, das heißt chirale Strukturen auf. In der Literatur wird zur Unterscheidung das Indexpaar (n,m) verwendet und zwischen drei Klassen unterschieden. Diese heißen im Englischen armchair (mit (n,n), achiral, nicht helikal), zig-zag ((n,0), achiral, helikal) und chiral ((n,m), chiral, helikal). Die ersten beiden Namen beziehen sich auf die Form der Linie, die sich ergibt, wenn man den C-C-Bindungen entlang des Umfangs folgt.

Mit dem Indexpaar lässt sich auch bestimmen, ob die Röhre ein Halbleiter ist. Wenn \frac{n-m}{3} eine ganze Zahl ist, ist die Kohlenstoffnanoröhre metallisch, ansonsten halbleitend. Somit ist ein Drittel aller denkbarer Röhren metallisch, zu denen z. B. auch alle armchair zählen.

Entdeckung und Herstellung [Bearbeiten]

Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWNT) wurden 1991 von Professor Sumio Iijima mit einem Elektronenmikroskop zufällig entdeckt. Er hatte eine Lichtbogenentladung zwischen Kohlenstoffelektroden erzeugt. 1993 wurden die einwandigen Kohlenstoffnanoröhren entdeckt. Sie können ebenfalls im Lichtbogen hergestellt werden, wenn man Katalysatoren zusetzt. Der Nobelpreisträger Richard E. Smalley veröffentlichte 1996 ein Laserverfahren zur Herstellung von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren. Dabei wird Graphit mit einem Laser abgetragen ("verdampft"). Außerdem entstehen Nanoröhren bei der katalytischen Zersetzung von Kohlenwasserstoffen; mit diesem Verfahren (engl. Chemical vapor deposition, kurz CVD) kann man ganze Felder von weitgehend parallelen Röhren auf einer Unterlage aufwachsen lassen. Jedes der drei Verfahren (Lichtbogen, Laser, Gaszersetzung) ist inzwischen so weit entwickelt, dass damit größere Mengen gleichmäßiger (in Durchmesser, Länge, Defekte, Mehrwandigkeit) CNTs hergestellt werden können. Man kann heute fertige Kohlenstoffnanoröhren von verschiedenen Herstellern in Gramm-Mengen kaufen.

Siehe auch [Bearbeiten]


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Andrei Rode

Nanopianka (z ang. nanofoam) - odkryta w 2004 roku przez naukowców z Australian National University w Canberze nowa krystaliczna odmiana węgla.

W przeciwieństwie do pozostałych odmian alotropowych, nanopianki są przyciągane przez magnes.

Otrzymywano poprzez naświetlanie laserem f = 10.000\;Hz w temp. 10.000°C.

Strukturę nanopianki zbadał pod mikroskopem elektronowym John Giapintzakis z Uniwersytetu na Krecie. Uważa, że to szósta znana postać węgla - obok grafitu, diamentu, nanorurek, fulerenu i karbinu.

Ponieważ nanopianka jest wyraźnie widoczna w badaniu za pomocą rezonansu magnetycznego, może znaleźć zastosowanie jako środek kontrastujący przy badaniach obrazowych mózgu. Natomiast właściwości termiczne pozwoliłyby wstrzykiwać nanopiankę do nowotworu. Po naświetleniu promieniowaniem podczerwonym komórki guza ulegałyby przegrzaniu.


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La nanomousse de carbone est une des forme allotropique du carbone, découverte en 1997 à l'Université nationale australienne de Canberra par l'équipe du docteur Andrei Rode.

Obtenue par vaporisation de graphite sous atmosphère inerte (argon) à l'aide d'un laser d'une fréquence de 10 000 Hertz, la nanomousse est la seule forme allotropique du carbone possédant des propriétés magnétiques.



Voir aussi [modifier]


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The large-scale structure of carbon nanofoam is similar to that of an aerogel, but with 1% of the density of previously-produced carbon aerogels—or only a few times the density of air at sea level. Unlike carbon aerogels, carbon nanofoam is a poor electrical conductor. The nanofoam contains numerous unpaired electrons, which Rode and colleagues propose is due to carbon atoms with only three bonds that are found at topological and bonding defects. This gives rise to what is perhaps carbon nanofoam's most unusual feature; it is attracted to magnets, and below −183 °C can itself be made magnetic. This property of ferromagnetism has also been seen in other allotropes of carbon including fullerene subjected to high pressures and temperatures and graphite irradiated with high energy protons.


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Nanoschaum ist die Bezeichnung für eine bestimme künstlich hergestellte Modifikation von Kohlenstoff. Er besteht aus kleinen Kohlenstoff-Clustern, von wenigen Nanometern Größe, die ohne geordnete Struktur miteinander verbunden sind. (Im Unterschied zu Fullerenen, die eine geordnete Struktur haben.)

Nanoschaum hat einen festen Aggregatzustand, und weist einige sehr ungewöhnliche Eigenschaften auf. So hat dieser Stoff etwa die kleinste bekannte Dichte von ca. 2 mg/cm3. (Das bedeutete, dass ein Liter nur zwei Gramm wiegt.).

Eine weitere - für Kohlenstoff - äußerst ungewöhnliche Eigenschaft ist der Ferromagnetismus dieses Nanoschaums.

Die Herstellung von Nanoschaum ist nur in experimentellen Mengen möglich, dafür wird Kohlenstoff mittels eines Lasers in einer Vakuumkammer verdampft. Dieser Dampf kondensiert an einer Silizium-Platte, wodurch die Struktur des Nanoschaums entsteht.

Quelle http://arxiv.org/ftp/cond-mat/papers/0310/0310751.pdf


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碳奈米泡沫元素的同素異形體之一,1997年澳大利亞國立大學的Andrei V. Rode及其合作者發現。

碳奈米泡沫呈蛛網狀,具有分形結構,有鐵磁性。泡沫由許多原子團簇構成,每個含有約4000個碳原子,直徑約6到9奈米; 其中很多原子團連在一起,形成了纖細的網。在碳奈米泡沫中,有許多七邊形的結構。研究者認為,七邊形的結構造是它有很多未成對的電子的原因;泡沫也因此而 具有了磁性,這是其他任何一種碳的同素異形體所沒有的特性。研究者還發現,在低於-183℃時,泡沫還具有永久磁性,但這種磁性在室溫下卻會慢慢消失。

碳奈米泡沫的密度很低,與碳氣凝膠很相似,但密度是它的百分之一;它是目前世上最輕的物質之一,密度約為2mg每立方公分,僅有海平面上空氣密度的幾分之一。

這種泡沫還是的不良導體,可以積聚靜電而吸附在其他物質上;它的熱傳導性也很差。

它的製備方法為,在充滿氣的容器中放入玻璃形狀的碳,用每秒一萬次的雷射脈衝轟擊,使其溫度驟升到大約1萬攝氏度並爆炸,在容器壁上即可獲得一層碳奈米泡沫構成的薄膜。

由於奈米泡沫具有的鐵磁性,將來有可能把它們的顆粒注射入人體,用來改善磁共振成像的清晰程度。它們也可能被應用到利用電子自旋或電子磁性的自旋器件中。


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旋转的碳纳米管分子示意图。小圆球代表碳原子,它们之间的长条形连接物代表化学键。

旋轉的碳奈米管分子示意圖。小圓球代表碳原子,它們之間的長條形連接物代表化學鍵

碳奈米管金剛石石墨富勒烯(C60)一樣,是的一種同素異形體

碳奈米管是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高解析度分析電鏡從電弧法生產的碳纖維中發現的[1]。它是一種管狀的碳分子,管上每個碳原子採取SP2雜化,相互之間以碳-碳σ鍵結合起來,形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為碳奈米管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個碳奈米管的共軛π電子雲。按照管子的層數不同,分為單壁碳奈米管和多壁碳奈米管。管子的半徑方向非常細,只有奈米尺度,幾萬根碳奈米管並起來也只有一根頭髮絲寬,碳奈米管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米

碳纳米管分子表面的凹凸现象。凹陷是由于七元环的影响,凸出则是由于五元环的影响。

碳奈米管分子表面的凹凸現象。凹陷是由於七元環的影響,凸出則是由於五元環的影響。

碳奈米管不總是筆直的,局部可能出現凹凸的現象,這是由於在六邊形結構中混雜了五邊形七邊形。出現五邊形的地方,由於張力的關係導致碳奈米管向外凸出。如果五邊形恰好出現在碳奈米管的頂端,就形成碳奈米管的封口。出現七邊形的地方碳奈米管則向內凹進。

[編輯] 碳奈米管的性質

碳奈米管的分子結構決定了它具有一些獨特的性質。由於巨大的長徑比(徑向尺寸在奈米量級,軸向尺寸在微米量級),碳奈米管表現為典型的一維量子材料,它的電子波函數在管的圓周方向具有周期性,在軸向則具有平移不變性,大大純化了理論工作,並做出了一些預言。理論預言,碳奈米管具有超常的強度熱導率磁阻,且性質會隨結構的變化而變化,可由絕緣體轉變為半導體、由半導體變為金屬;具有金屬導電性的碳奈米管通過的磁通量是量子化的,表現出阿哈羅諾夫-玻姆效應(A-B效應)。

[編輯] 力學性質

由於碳奈米管中碳原子採取SP2雜化雜化,相比SP3雜化雜化,SP2雜化中S軌道成分比較大,使碳奈米管具有高模量、高強度。

碳奈米管的硬度金剛石相當,卻擁有良好的柔韌性,可以拉伸。目前在工業上常用的增強型纖維中,決定強度的一個關鍵因素是長徑比,即長度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1,而碳奈米管的長徑比一般在1000:1以上,是理想的高強度纖維材料。2000年10月,美國賓州州立大學的研究人員稱[2],碳奈米管的強度比同體積的強度高100倍,重量卻只有後者的1/6到1/7。碳奈米管因而被稱「超級纖維」。

莫斯科大學的研究人員曾將碳奈米管置於1011 Pa的水壓下(相當於水下18000公里深的壓強),由於巨大的壓力,碳奈米管被壓扁。撤去壓力後,碳奈米管像彈簧一樣立即恢復了形狀,表現出良好的韌性[3]。這啟示人們可以利用碳奈米管製造輕薄的彈簧,用在汽車、火車上作為減震裝置,能夠大大減輕重量。

此外,碳奈米管的熔點是目前已知材料中最高的。

[編輯] 電學性質

碳纳米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示。

奈米管上原子排列的方向常用向量(n,m)表示。

碳奈米管上碳原子的P電子形成大範圍的離域π鍵,由於共軛效應顯著,碳奈米管具有一些特殊的電學性質。

常用向量Ch表示碳奈米管上原子排列的方向,其中 \mathbf{C_h}=n\mathbf{a_1}+m\mathbf{a_2},記為(n,m)。a1a2分別表示兩個基矢。(n,m)與碳奈米管的導電性能密切相關。對於一個給定(n,m)的奈米管,如果有2n+m=3q(q為整數),則這個方向上表現出金屬性,是良好的導體,否則表現為半導體。對於n=m的方向,碳奈米管表現出良好的導電性電導率通常可達的1萬倍。

[編輯] 碳奈米管的製備

目前常用的碳奈米管製備方法主要有:電弧放電法、雷射燒蝕法、化學氣相沉積法(碳氫氣體熱解法),固相熱解法、輝光放電法和氣體燃燒法等以及聚合反應合成法。

電弧放電法是生產碳奈米管的主要方法。1991年日本物理學家飯島澄男就是從電弧放電法生產的碳纖維中首次發現碳奈米管的。電弧放電法的具體過程是:將石墨電極置於充滿氦氣氬氣的反應容器中,在兩極之間激發出電弧,此時溫度可以達到4000度左右。在這種條件下,石墨會蒸發,生成的產物有富勒烯(C60)、無定型碳和單壁或多壁的碳奈米管。通過控制催化劑和容器中的氫氣含量,可以調節幾種產物的相對產量。使用這一方法製備碳奈米管技術上比較簡單,但是生成的碳奈米管與C60等產物混雜在一起,很難得到純度較高的碳奈米管,並且得到的往往都是多層碳奈米管,而實際研究中人們往往需要的是單層的碳奈米管。此外該方法反應消耗能量太大。近年來有些研究人員發現,如果採用熔融的氯化鋰作為陽極,可以有效地降低反應中消耗的能量,產物純化也比較容易。

近年來發展出了化學氣相沉積法,或稱為碳氫氣體熱解法,在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態通過附著有催化劑微粒的模板,在800~1200度的條件下,氣態烴可以分解生成碳奈米管。這種方法突出的優點是殘餘反應物為氣體, 可以離開反應體系,得到純度比較高的碳奈米管,同時溫度亦不需要很高,相對而言節省了能量。但是制得的碳奈米管管徑不整齊,形狀不規則,並且在製備過程中 必須要用到催化劑。目前這種方法的主要研究方向是希望通過控制模板上催化劑的排列方式來控制生成的碳奈米管的結構,已經取得了一定進展。

除此之外還有固相熱解法等方法。固相熱解法是令常規含碳亞穩固體在高溫下熱解生長碳奈米管的新方法,這種方法過程比較穩定,不需要催化劑,並且是原位生長。但受到原料的限制,生產不能規模化和連續化。

另外還有離子或雷射濺射法。此方法雖易於連續生產,但由於設備的原因限制了它的規模。

[編輯] 碳奈米管的應用前景

氫氣被 很多人視為未來的清潔能源。但是氫氣本身密度低,壓縮成液體儲存又十分不方便。碳奈米管自身重量輕,具有中空的結構,可以作為儲存氫氣的優良容器,儲存的 氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱,氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳奈米管製作輕便的可攜帶式的儲氫容器。

在碳奈米管的內部可以填充金屬氧化物等 物質,這樣碳奈米管可以作為模具,首先用金屬等物質灌滿碳奈米管,再把碳層腐蝕掉,就可以製備出最細的奈米尺度的導線,或者全新的一維材料,在未來的分子 電子學器件或奈米電子學器件中得到應用。有些碳奈米管本身還可以作為奈米尺度的導線。這樣利用碳奈米管或者相關技術製備的微型導線可以置於矽晶片上,用來 生產更加複雜的電路。

利用碳奈米管的性質可以製作出很多性能優異的複合材料。例如用碳奈米管材料增強的塑料力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的碳奈米管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高,不易對環境造成影響。碳奈米管增強陶瓷複合材料強度高,抗衝擊性能好。[4]碳奈米管上由於存在五元環的缺陷,增強了反應活性,在高溫和其他物質存在的條件下,碳奈米管容易在端面處打開,形成一個管子,極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基複合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹係數小、抵抗熱變性能強。

碳奈米管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管,給化學家提供了進行奈米化學反應最細的試管。碳奈米管上極小的微粒可以引起碳奈米管在電流中的擺動頻率發生變化,利用這一點,1999年,巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的「奈米秤」[5],能夠稱量單個病毒的質量。隨後德國科學家研製出能稱量單個原子的「奈米秤」。

[編輯] 進一步閱讀

[編輯] 參考文獻

  1. S.Iijima, Nature, 354(1991),56.
  2. J.Hone, B.Batlogg & Z.Benes, et al, Science, 289(2000),1730.
  3. http://www.bast.net.cn/wnfw/kxmc/kjxch/2005/1/10/31310.shtml
  4. 就碳奈米管的抗衝擊能力和其高度塑性,香港科技大學2006年年中表示已成功利用填滿了聚乙烯的碳奈米管造成避彈衣。詳見:雅虎新聞
  5. P.Philippe, Z.L.Nang, et al, Science, 283(1999),1513.


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寶石寶石)是被切割、擦潤、拋光的礦物石料土化物體,作為收集品、收藏品或穿著裝飾之用。有些脆弱或軟的寶石只能收集,不能穿著,像許多博物館徵求的菱錳礦。寶石最重要的珍貴之處是其完美的外表,所以被擦傷後喪失價值。有些合成寶石被用來仿冒或偽裝作為其他的較珍貴寶石,例如二氧化鋯石是一種合成的鑽石仿冒品。這些仿冒品外表和反光和真正的寶石看起來一樣,但是沒有它們的化學物理特色。有的人工寶石是和自然接的寶石成分相同,例如人工合成的鑽石紅寶石藍寶石綠寶石。合成寶石中剛玉(包括紅寶石和藍寶石)比較常見,所以比天然的便宜;但是合成鑽石質量不純淨,只能用於工業使用,不能作為飾物。

作為寶石的礦物一般顏色鮮艷柔和,光澤和花紋美觀,結構均勻,折光率強,硬度較大,化學成分穩定。人類從自古以來就將寶石加工作為飾物。目前世界上3000多種礦物中,有230種以上可以作為寶石,但應用最廣的一般只有20-30種。世界寶石資源主要分佈在亞洲南部、非洲南部、美洲澳洲以及俄羅斯

[編輯] 分類

商人分寶石為寶石(貴重寶石)和半寶石(次貴重寶石)。只有五種貴重寶石:

半寶石數量多,二十多種常見,包括:

嚴格上不算做寶石的,即不屬於礦物的有機體,但也作為珠寶的還有:

寶石學中,寶石是由以下特徵分類:

  • 構造﹔例如,鑽石是完全紅寶石氧化鋁。(參見元素
  • 結晶系統:例如,立方晶系、三方晶系、單斜晶系。
  • 晶體習性:例如,八面體結晶。

同一種寶石有不同變化,例如:

此外,在中國傳統非常重視,通常分為軟玉(崑崙山是主要產地)和硬玉(翡翠,主要產於緬甸),所謂「黃金有價玉無價」,但在世界其他地區沒有將玉視為寶石。


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戒指上的鑽石(圓多面型切割法)
戒指上的鑽石(圓多面型切割法)

鑽石,是經過琢磨的金剛石。金剛石是無色正八面體晶體,由原子以四價鍵鏈接,為目前已知自然存在最硬物質。

[編輯] 化學性質

Diamond, Cubic-F lattice, with a motif of C (0,0,0) and C (1/4,1/4,1/4).
Diamond, Cubic-F lattice, with a motif of C (0,0,0) and C (1/4,1/4,1/4).

在鑽石晶體中,原子按四面體成鍵方式互相連接,組成無限的三維骨架,是典型的原子晶體。每個碳原子都以SP3雜化軌道與另外4個碳原子形成共價鍵,構成正四面體。由於鑽石中的C-C鍵很強,所以所有的價電子都參與了共價鍵的形成,沒有自由電子,所以鑽石不僅硬度大,熔點極高,而且不導。在工業上,鑽石主要用於製造鑽探用的探頭和磨削工具,形狀完整的還用於製造手飾等高檔裝飾品,其價格十分昂貴。

[編輯] 物理性質

鑽石的摩氏硬度為10;由於硬度最高,鑽石的切削和加工必須使用鑽石粉來進行。鑽石的密度為3.52g/cm3折射率為2.417,色散率為0.044。

[編輯] 觀賞用途

鑽石由於折射率高,在燈光下顯得閃閃生輝,成為女士最愛的寶石。巨型的美鑽可以價值連城。而滲有深顏色的鑽石的價錢更高。當鑽石帶有藍、綠或粉紅色屬十分罕有,而顏色深而鮮豔則價錢很高;目前最昂貴的有色鑽石,要數帶有濃豔紅色的鑽石。

鑽石分為一型和二型兩種,這主要是根據它是否含有N元素:一型含;二型不含。而藍色的鑽石是二B型的,是半導體。

[編輯] 工業用途

由於鑽石的硬度極高,科學家會利用高溫高壓製成鑽石微粒,用於沙紙、鑽探、研磨工具之上,可以用來切削和刻畫其他物質。

[編輯] 釐定的標準

傳統釐定鑽石價值高低的標準是「4C」制度,即卡、色澤、淨度、和切割。

[編輯]

卡,或譯卡拉、克拉(Carat),是鑽石的質量單位。一卡相等於200毫克。因為鑽石的密度基本上相同,因此越重的鑽石體積越大。越大的鑽石越稀有,每卡的價值亦越高。下表為2005年時的價格比較。

每卡價值(美元) 總值
0.5 卡 3,000 1,500
1.0 卡 5,000 5,000
1.5 卡 7,000 10,500
2.0 卡 10,000 20,000
3.0 卡 15,000 45,000
5.0 卡 20,000 100,000

[編輯] 淨度

淨 度(Clarity)以鑽石內的瑕疵多少缺定。瑕疵可能是天然的雜質或裂痕。瑕疵的數量、位置、大小等都會影響評級。鑽石壙開採出來的鑽石中,只 有20%可以成為寶石,其餘的因為瑕疵較多通常只能作工業用途。而20%的寶石級鑽石中,大部分都包含肉眼可見的瑕疵。在此級別以上的鑽石較為大眾喜愛。 至於屬完美級別的鑽石更為罕有,被稱為「博物館級」鑽石。通常使用10倍放大鏡觀察鑽石內部及表面瑕疵的大小、數量、分佈及對鑽石光彩影響的程度,分出等 級。一般通行的淨度分級如下:

  • FL - 「Flawless」,完美無瑕。在十倍放大鏡下內外俱無瑕疵。
  • IF - 「Internally flawless」,內部無瑕。在十倍放大鏡下只有表面有輕微花痕。
  • VVS1, VVS2 - 「Very Very Slight」,非常非常小。在十倍放大鏡下只有很難看見的瑕疵。VVS1 淨渡高於VVS2。
  • VS1 and VS2 - 「Very Slight」,非常小。在十倍放大鏡下可看見瑕疵,但肉眼難以辨認。VS1淨渡高於VS2。
  • SI1 and SI2 - 「Slight Inclusions」,小瑕疵,肉眼可能看見。
  • I1, I2 and I3 - 「Imperfect」,有瑕疵,可以被肉眼看見。

現代科技之下,有些鑽石的瑕疵是可以修補的。不過修補過的鑽石的價值會稍低。

[編輯] 色澤

鑽石的色澤會因為化學上的雜質而有所偏差。完全純正的鑽石應該是透明無色的。鑽石偏向不同的顏色會影響它的價值。絕大部分的鑽石都是因為帶有氮原子而偏黃。白鑽越偏黃,價值便越低。但是偏粉紅或藍的鑽石價格卻較高。顏色強烈偏向粉紅或藍的鑽石可能是價值連城。

一般的方法是把鑽石按偏黃的程度分為不同的等級,把樣品與已知色級的比色石對比確定,以D級最高,Z 最低。

  • 無色: D, E, F
  • 接近無色: G, H, I, J
  • 微黃: K, L, M
  • 輕淺黃: N, O, P, Q, R
  • 淺黃: S, T, U, V, W, X, Y, Z

[編輯] 切割

切割指鑽石是如何從原先開採的石礦中切割成寶石。切割往往是最能影響鑽石的品量及價值的一個指標,但是它卻沒有單一的分級方法。

[編輯] 形狀

未經切割打磨的鑽石並沒有燿燦生輝的光芒。切割的功用是把鑽石割成可以盡量增加光線反射的形狀。1919年數 學家Marcel Tolkowsky發明了一種切割方法,能令鑽石在上方看來最為生輝。這種切割方法被稱為圓多面型(Round Brilliant),亦即最為常見的圓形鑽石。這種鑽石一般標準是有五十七個面或五十八個面,三十三面在冠部,二十四個面或二十五個面(即在底尖處再磨 一個面)在腰以下。不屬於這種切割的形狀稱為 Fancy Cut,包括有方形、梨形、心形等。有鑽石品牌標榜他們旗下鑽石都採用八心八箭的方式來切割,也屬於這一類。

[編輯] 質素

切割得宜的鑽石,顯得亦比同級重量、顏色,但切割差的鑽石更為燿燦。判斷切割是否優良,要看鑽石的各種比例,各面是否對稱,各種角度等等。有時鑽石的切割角度相差數度,便會造成截然不同的效果。

切割完的鑽石,往往只有原石的一半重量。為了在鑽石保留最多的重量,或者要避開原石上的雜質,有些鑽石切割時會犧牲完美的切割比例。

[編輯] 血腥鑽石

為遏制「血腥鑽石」的交易,有建議在「4C」制度提升為「5C」制度,在四個標準下再增加「道德」這個新標準,來證明該鑽石不是用來資助戰爭,以及在設備安全的鑽礦開採,過程中沒有僱用童工。在新制度下,超過一卡的鑽石將附上載有開採鑽礦照片的電腦晶片。參看血鑽

[編輯] 外部連結


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Sodio - Magnesio - Aluminio
Be
Mg
Ca
General
Nome, símbolo, número Magnesio, Mg, 12
Serie química Metais alcalinotérreos
Grupo, periodo, bloque elementos do grupo 2|2, elementos do periodo 3|3 , elementos do bloque s|s
Densidade, dureza Mohs 1738 kg/m³, 2,5
Aparencia

Blanco prateado
Propiedades atómicas
Peso atómico 24,305 uma
Radio medio 150 pm
Radio atómico calculado 145 pm
Radio covalente 130 pm
Radio de Van der Waals 173 pm
Configuración electrónica [Ne]3s2
Estados de oxidación (óxido) 2 (base forte)
Estrutura cristalina Hexagonal
Propiedades físicas
Estado da materia sólido (paramagnético)
Punto de fusión 923 K
Punto de ebulición 1363 K
Entalpía de vaporización 127,4 kJ/mol
Entalpía de fusión 8,954 kJ/mol
Presión de vapor 361 Pa a 923 K
Velocidade do son 4602 m/s a 293,15 K
Información diversa
Electronegatividade 1,31 (Pauling)
Calor específica 1020 J/(kg·K)
Condutividade eléctrica 22,6x106/m Ω
Condutividade térmica 156 W/(m·K)
potencial de ionización 737,7 kJ/mol
2º potencial de ionización 1450,7 kJ/mol
3º potencial de ionización 7732,7 kJ/mol
Isótopos máis estables
iso. AN (%) Vida media MD ED (MeV) PD
24Mg 78,99 Mg é estable con 12 neutróns
25Mg 10 Mg é estable con 13 neutróns
26Mg 11,01 Mg é estable con 14 neutróns
Valores no SI e en condiciones normais
(0 ºC e 1 atm), salvo que se indique o contrario.
Calculado a partir de distintas lonxitudes
de enlace covalente, metálico ou iónico.

O magnesio é o elemento químico de símbolo Mg e número atómico 12. É o sétimo elemento en abundancia constituíndo da orde do 2% da cortiza terrestre e o terceiro máis abundante disolto na auga de mar. Emprégase primordialmente como elemento de aliaxe.

[editar] Principais características

O magnesio é un metal bastante resistente e lixeiro, un 30% máis lixeiro có aluminio, de cor prateada que perde o brillo cando se expón ao aire. Pulverizado inflámase cando se expón ao aire ardendo cunha chama branca. En anacos maiores é difícil que se inflame pero pode suceder se se curta en láminas delgadas, polo que no mecanizado as labras han de manexarse con precaución.

[editar] Aplicacións

Obxectos de magnesio.

Obxectos de magnesio.

Os compostos de magnesio, principalmente o seu óxido, úsanse como material refractario en fornos para a produción de ferro e aceiro, metais non férreos, cristal e cemento, así como en agricultura e industrias química e de construción.

O uso principal do metal é como elemento de aliaxe do aluminio, empregándose as aliaxes aluminio-magnesio en envases de bebidas. As aliaxes de magnesio, especialmente magnesio-aluminio, empréganse en compoñentes de automóbiles, como lamias, e en maquinaria diversa. O metal ademais, adiciónase para eliminar o xofre do aceiro e o ferro. Outros usos son:

  • Aditivo en propelentes convencionais.
  • Obtención de fundición nodular (ferro-silicio-Mg) xa que é un axente esfirilizante/nodulizante do grafito.
  • Axente redutor na obtención de uranio e outros metais a partir das súas sales.
  • O hidróxido (leite de magnesia), o cloruro, o sulfato (sales Epsom) e o citrato empréganse en medicina.
  • O po de carbonato de magnesio (MgCOu3) é utilizado polos atletas como ximnastas e levantadores de peso para mellorar o agarre dos obxectos.
  • Outros usos inclúen flashes fotográficos, pirotecnia e bombas incendiarias.

[editar] Papel biolóxico

O magnesio é importante para a vida, tanto animal como vexetal. A clorofila é unha substancia complexa de porfirina-magnesio que intervén na fotosíntese.

É un elemento químico esencial para o home; a maior parte do magnesio atópase nos ósos e os seus ións desempeñan papeis de importancia na actividade de moitas coenzimas e en reaccións que dependen do ATP. Tamén exerce un papel estrutural, o ión de Mg2 ten unha función estabilizadora da estrutura de cadeas de ADN e ARN.

En función do peso e a altura, a cantidade diaria recomendada é de 300-350 mg, cantidade que pode obterse doadamente xa que se atopa na maioría dos alimentos, sendo as follas verdes das hortalizas especialmente ricas en magnesio.

[editar] Historia

O nome procede de magnesia, que en grego designaba unha rexión de Tesalia. O inglés Joseph Black, recoñeceu o magnesio como un elemento químico en 1755, en 1808 Sir Humphrey Davey obtivo metal puro mediante electrólise dunha mestura de magnesia e HgOu

[editar] Abundancia e obtención

O magnesio é o sétimo elemento máis abundante na codia terrestre, así a todo non se atopa libre, aínda que entra na composición de máis de 60 minerais, sendo os máis importantes industrialmente os depósitos de dolomía, magnesita, brucita, carnalita e olivino.

Nos EEUU o metal obtense principalmente por electrólise do cloruro de magnesio, método que xa empregara Bunsen, obtido de salmoiras e auga de mar.

[editar] Isótopos

O magnesio-26 é un isótopo estable que se emprega na datación xeolóxica, do mesmo xeito có [[Aluminio (elemento)|aluminio]-26, do que é fillo. Nas inclusións ricas en calcio e aluminio (CAI en inglés) dalgúns meteoritos, os obxectos máis antigos do sistema solar, atopáronse cantidades de Mg-26 maiores das esperadas que se atribúen ao decaemento do Al-26. Estes obxectos, cando se desprenderon en etapas temperás da formación dos planetas e asteroides non sufriron os procesos xeolóxicos que fan desaparecer as estruturas condríticas (formadas a partir das inclusións) e xa que logo gardan información sobre a idade do sistema solar.

Nos estudos comparáronse os ratios Mg-26/Mg-24 e Ao-27/Mg-24, para determinar así, de forma indirecta, a relación Ao-26/Ao-27 inicial da mostra no momento en que esta se separou das rexións de po da nébula presolar a partir da que se formou o noso sistema solar.

[editar] Precaucións

O magnesio é extremadamente inflamable, especialmente se está pulverizado. Reacciona exotérmica e rapidamente en contacto con aire ou auga polo que debe manipularse con precaución. O lume, de producirse, non se deberá intentar apagar con auga.

[editar] Referencias exteriores


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אלומיניום - מגנזיום - נתרן

Be
Mg
Ca

כללי
מספר אטומי 12
סמל כימי Mg
סדרה כימית מתכת אלקלית עפרורית
צפיפות 1738 kg/m3
מראה לבן כסוף
תכונות אטומיות
משקל אטומי 24.305 amu
רדיוס ואן דר ולס 173 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה 2, 8, 2
תכונות פיזיקליות
מצב צבירה בטמפ' החדר מוצק
טמפרטורת התכה 650°C
טמפרטורת רתיחה 1090°C
לחץ אדים 361Pa ב 923°K
מהירות הקול 4602 מטר לשנייה ב293.15°K
שונות
אלקטרושליליות 1.31
קיבול חום סגולי 1020 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית 22.6 106/m·Ω
מוליכות תרמית 156 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה 737.7 kJ/mol

מגנזיום הוא יסוד ממשפחת המתכות האלקליות העפרורית. המגנזיום מסומל כ-Mg ומספרו האטומי 12.

[עריכה] תכונות

מגנזיום הוא מתכת חזקה וקלה מאוד (שוקלת כשליש מאלומיניום), בעלת צבע לבן-כסוף. עם חשיפה לאוויר המגנזיום מוכתם. כשמגנזיום בצורת אבקה נחשף ללחות הוא מתחמם, מתלקח ובוער באור לבן בוהק. גושי מגנזיום קשים להצתה, אך בצורת רצועות דקות הוא נדלק בקלות, וקשה מאוד לכבותו. מגנזיום יכול להגיב עם חנקן, וליצור מגנזיום חנקתי. כמו כן יכול מגנזיום להגיב עם פחמן דו-חמצני.

[עריכה] שימושים

תרכובות מגנזיום, בעיקר מגנזיום חמצני (MgO), משמשות בתעשייה בייצור ברזל ופלדה, זכוכית, מלט ומתכות אחרות. למגנזיום חמצני ולתרכובות אחרות של מגנזיום יש גם תפקיד בחקלאות ובתעשיית הבנייה. בדרך כלל משתמשים בסגסוגות של מגנזיום ואלומיניום, ולא במגנזיום טהור, לייצור מיכלי פחיות משקה. סגסוגות מגנזיום משמשות בנוסף לכך בתור מרכיב מבני של מכוניות ומכונות. שימוש נוסף של מגנזיום הוא הסרת גופרית מברזל ופלדה. שימושים נוספים:

  • בעבר השתמשו במגנזיום לייצור מבזקים (פלאשים) למצלמות בשל האור הרב שנפלט עם הצתתו.
  • סגסוגות מגנזיום חיוניות בבניית מטוסים וטילים, ומשמשות גם לייצור חישוקים לגלגלי מכוניות.
  • מגנזיום משמש לריתוך מכיוון שכשמוסיפים אותו לאלומיניום, הוא משפר את צורת הריתוך שלו ומספר תכונות נוספות.
  • כתוספת לחומרי נפץ ופצצות תאורה.
  • מגנזיום עוזר בבידוד אורניום ומתכות אחרות ממלחיהם.
  • מגנזיום הידרוקסידי (MgOH) הוא מרכיב של חלב מגנזיה.
  • למגנזיום כלורי (MgCl2) ולמגנזיום גופרי (MgS) שימוש ברפואה כחומר משלשל (המכונה מלח אנגלי).
  • תרכובות מגנזיום הניצתות בקלות (מגנזיום בוער ב־4000°F) עוזרות להצית מדורות במהירות וקלות.
  • אבקת מגנזיום פחמתי (MgCO3) עוזרת לאתלטים כמו מרימי משקולות כאשר הם משפשפים אותה על הידיים ומשפרים את האחיזה שלהם.
  • למגנזיום שימושים רבים בתחום הפירוטכניקה.

[עריכה] היסטוריה

מוט מגנזיום

מוט מגנזיום

מקור השם מגנזיום במילה היוונית Magnesia, שמו של מחוז בתסליה (חבל ארץ במערב מרכז יוון). ג'וזף בלאק זיהה את המגנזיום כיסוד ב־1775. סר האמפרי דייווי בודד מגנזיום לראשונה ב־1808 באלקטרוליזה של תערובת מגנזיום חמצני (MgO) וכספית חמצנית (HgO). רק ב־1831 הפיק אנטואן בוסי מגנזיום בצורה עקבית.

[עריכה] ביולוגיה

למגנזיום חשיבות רבה בביולוגיה; הוא מצוי בכל היצורים החיים, והוא חיוני לחיים.

התרכובת הביולוגית הידועה ביותר המכילה מגנזיום היא הצבען כלורופיל, הנותן לצמחים ולכמה חיידקים ואצות את צבעם הירוק. הכלורופיל מאפשר את תהליך הפוטוסינתזה, המשמש לניצול אנרגיית השמש לבניית התרכובות המרכיבות את הצמח.

אטומי מגנזיום נמצאים באתר הפעיל של אנזימים רבים החיוניים לתהליכים ביולוגיים בתא. בעלי חיים מקבלים מגנזיום באמצעות אכילת צמחים, ובמיוחד צמחים ירוקים (היות והכלורופיל אחראי לצבע הירוק).

[עריכה] תזונה

המגנזיום הכרחי לתפקודו התקין של הגוף, שם הוא משמש כשהוא קשור לאנזימים שונים בתהליכי הפירוק והבניה המתבצעים כל העת בגוף.הוא קשור בפעילות השרירים. חוסר במגנזיום עשוי להביא לבילבול, רעד שרירי בעיקר בגפיים, שלשול/ עצירות, בחילות ועד מוות. מגנזיום נמצא בעיקר במזונות כ- בשר, חלב, ירקות עליים ירוקים, דגנים מלאים (בעיקר בקליפתם).

[עריכה] אמצעי זהירות

מגנזיום מתכתי וסגסוגות מגנזים דליקות מאוד בצורתן הטהורה, כשהן מותכות או בצורת אבקה. מגנזיום מתכתי מגיב במהירות, תוך פליטת חום, במגע עם מים, ומצריך טיפול מיוחד. בעבודה עם מגנזיום חובה ללבוש משקפי מגן - האור הבהיר (כולל קרינה אולטרה סגולה), שנפלט בתהליך הבערה עלול לפגוע בעיניים. מים צריכים להשמר במרחק ממגנזיום, מפני שהחיבור ביניהם יכול לגרום לשריפה, בהתאם לנוסחה הבאה: \ Mg_{(s)} + 2H_2O_{(l)} \rarr Mg(OH)_{2(aq)} + H_{2(g)}

[עריכה] הפקת מגנזיום בישראל

במסגרת קונצרן כימיקלים לישראל פועל בנגב מפעל "מגנזיום ים המלח" שהוקם בשיתוף פעולה עם חברת פולקסוואגן הגרמנית. המפעל מפיק מגנזיום טהור וסגסוגות מגנזיום.

[עריכה] קישורים חיצוניים


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A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

12 nátriummagnéziumalumínium
Általános
Név, vegyjel, rendszám magnézium, Mg, 12
Elemi sorozat alkáliföldfémek
Csoport, periódus, mező 2, 3, s
Megjelenés ezüstfehér
Atomtömeg 24,3050(6) g/mol
Elektronszerkezet [Ne] 3s2
Elektronok héjanként 2, 8, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Sűrűség (szobahőm.) 1,738 g/cm³
Sűrűség a f.p.-on 1,584 g/cm³
Olvadáspont 923 K
(650 °C, 1202 °F)
Forráspont 1363 K
(1090 °C, 1994 °F)
Olvadáshő 8,48 kJ/mol
Párolgáshő 128 kJ/mol
Hőkapacitás (25 °C) 24,869 J/(mol·K)
Gőznyomás
P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
at T/K 701 773 861 971 1132 1361
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet hexagonális
Oxidációs állapotok 2
(erősen bázikus oxid)
Elektronegativitás 1,31 (Pauling-skála)
Ionizációs energia
(részletek)
1.: 737,7 kJ/mol
2.: 1450,7 kJ/mol
3.: 7732,7 kJ/mol
Atomsugár 150 pm
Atomsugár (számított) 145 pm
Kovalens sugár 130 pm
Van der Waals sugár 173 pm
Egyebek
Mágnesség paramágneses
Elektromos ellenállás (20 °C) 43,9 nΩ·m
Hővezetőképesség (300 K) 156 W/(m·K)
Hőtágulás (25 °C) 24,8 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd) (r.t.) (annealed)
4940 m/s
Young modulusz 45 GPa
Nyírási modulusz 17 GPa
Bulk modulusz 45 GPa
Poisson arányszám 0,29
Mohs keménység 2,5
Brinell keménység 260 MPa
CAS szám 7439-95-4
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A magnézium izotópjai
Izotóp t.e. felezési idő B.m. B.e. (MeV) B.t.
24Mg 78,99% Mg stabil 12 neutronnal
25Mg 10% Mg stabil 13 neutronnal
26Mg 11,01% Mg stabil 14 neutronnal
Hivatkozások

A magnézium a periódusos rendszer egy kémiai eleme. Vegyjele Mg, rendszáma 12.

[szerkesztés] Története

Az elnevezés görög eredetű, a Thesszáliaban fekvő Magnesiáról kapta a nevét. Kapcsolódik a magnetithez (mágnesvasérc) és a mangánhoz, melyek szintén erről a területről származnak és szükséges volt egy külön elnevezés a megkülönböztetéshez.

A földkéreg 8. leggyakoribb eleme. Nagy mennyiségben fordul elő magnezit (MgCo3)és dolomit rétegekben, egyéb ásványokban, ásványvizekben, melyben a oldott ion (Mg2+) formában található meg.

Egy farmer 1918-ban Anglia Epsom városában kútvizet adott a teheneinek, de azok nem itták meg a keserű íze miatt. A farmer viszont felfedezte, hogy a víz segít a horzsolások, kiütések gyógyulásában. Az epsom-i víz híre hamar elterjedt, a későbbiekben felfedezték hogy hidratált magnézium szulfátot (MgSO4) tartalmaz.

A skót Joseph Black fedezte fel 1755-ben, hogy a magnézium elem, Sir Humphry Davy 1808-ban magnézia és HgO keverékéből tiszta magnéziumot állított elő, majd 1831-ben A. A. B. Bussy összefüggő (koherens) formában. Davy javaslata a nevével kapcsolatban magnium volt, ma már a magnézium elnevezést használjuk.

[szerkesztés] Jellemzői

Ezüstfehér színű, csillogó, tiszta állapotban nyújtható, puha könnyűfém. Az alkáliföldfémek csoportjának tagja. Meggyújtva vakító fehér lánggal ég el. Az oxigénhez (O2) igen nagy az affinitása. Felülete már szobahőmérsékleten vékony, a további oxidációtól védő, fakó színű oxidréteggel vonódik be (MgO). Erélyes redukálószer, kicsi az elektronegativitása. A magnézium szén-dioxidban (CO2) tovább ég.

[szerkesztés] Előfordulása

A természetben csak vegyületeiben fordul elő. Ásványai a földkéreg gyakori alkotórészei, legelterjedtebbek a magnetit és a dolomit.

[szerkesztés] Előállítása, felhasználása

Megolvasztott sóinak (pl. MgCl2) elektrolízisével vagy újabban a karbonátjai hevítésekor keletkező oxidjának karbotermiás vagy szilikotermiás redukciójával állítják elő. Elsősorban kis sűrűségű és viszonylag nagy szilárdságú ötvözetek (magnálium, elektronfém, dúralumínium) előállítására használják, főleg a repülőgépiparban. A magnéziumot ezenkívül felhasználják nehezen redukálható fémek (V, U, Zr, Ti) kinyerésére, villanófényporok, világító rakéták, gyújtóbombák készítésére, továbbá szerves szintéziseknél és a fluor előállítására alkalmas edények gyártására (a felületén képződő MgF2 jó védőréteg).


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Magnesín er frumefni með efnatáknið Mg og er númer tólf í lotukerfinu. Magnesín er áttunda algengasta frumefnið og skipar um 2% af jarðskorpunni. Það er einnig þriðja algengasta uppleysta efnið í sjónum. Þassi alkalímálmur er aðallega notaður sem blendingsefni í ál-magnesín málmblöndur.


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Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

sodio - magnesio - alluminio
Be
Mg
Ca

Generale
Nome, Simbolo, N° Atomico magnesio, Mg, 12
Serie chimica metalli alcalino terrosi
Gruppo, Periodo, Blocco 2 (IIA), 3, s
Densità, Durezza 1738 kg/m3, 2,5
Colore bianco argento
aspetto del magnesio
Proprietà atomiche
Peso atomico 24,305 amu
Raggio atomico 150
Raggio covalente 130 pm
Raggio di van der Waals 173 pm
Configurazione elettronica Ne3s2
e- per livello energetico 2, 8, 2
Stato di ossidazione 2 (base forte)
Struttura cristallina Esagonale
Proprietà fisiche
Stato di aggregazione solido (paramagnetico)
Punto di fusione 923 K, 649,85 °C)
Punto di ebollizione 1363 K, (2089,85 °C)
Volume molare 14,00 × 10-3 m3/mol
Calore di vaporizzazione 127,4 kJ/mol
Calore di fusione 8,954 kJ/mol
Pressione del vapore 361 Pa a 923 K
Velocità del suono 4602 m/s a 293,15 K
Varie
Elettronegatività 1,31
Calore specifico 1020 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica 22,6 × 106/m·ohm
Conducibilità termica 156 W/(m*K)
Prima energia di ionizzazione 737,7 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione 1450,7 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione 7732,7 kJ/mol
Isotopi stabili
iso NA TD DM DE DP
24Mg 78,99% Mg è stabile con 12 neutroni
25Mg 10% Mg è stabile con 13 neutroni
26Mg 11,01% Mg è stabile con 14 neutroni

iso = isotopo
NA = abbondanza in natura
TD = tempo di dimezzamento
DM = modalità di decadimento
DE = energia di decadimento in MeV
DP = prodotto del decadimento

Il magnesio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo Mg e come numero atomico il 12. Il magnesio è l'ottavo elemento più abbondante e costituisce circa il 2% della crosta terrestre, inoltre è il terzo per abbondanza tra gli elementi disciolti nell'acqua marina. Questo metallo alcalino terroso è principalmente usato come agente legante nella produzione di leghe alluminio-magnesio.

Caratteristiche [modifica]

Il magnesio è un metallo leggero (di un terzo rispetto all'alluminio), di colore bianco argento e abbastanza duro, che si appanna leggermente se esposto all'aria. La polvere di questo metallo si scalda e brucia con una fiamma bianca a contatto con l'aria. È difficile che prenda fuoco quando viene conservato in grosse quantità, ma si infiamma facilmente se disposto in strisce sottili.

Applicazioni [modifica]

I composti di magnesio, soprattutto l'ossido di magnesio, sono usati principalmente come materiale refrattario nei rivestimenti delle fornaci per la produzione di ferro e acciaio, metalli non ferrosi, vetro e cemento. L'ossido di magnesio e altri composti sono usati anche in agricoltura e nell'industria chimica e delle costruzioni. L'utilizzo principale di questo elemento è come addittivo nelle leghe con l'alluminio. Queste leghe alluminio-magnesio sono utilizzate soprattutto nelle lattine per le bevande. Le leghe di magnesio sono usate anche per alcuni componenti strutturali delle automobili e dei macchinari. Un altro impiego di questo metallo è per aiutare la rimozione dello zolfo dal ferro e dall'acciaio.

Altri utilizzi comprendono:

  • Il magnesio, come l'alluminio, è resistente e leggero, ed è spesso usato per la produzione di cerchioni per le ruote delle auto, i famosi "cerchi in lega".
  • Combinato in lega, questo metallo è essenziale per le costruzioni elicotteristiche, aeronautiche e missilistiche.
  • Quando utilizzato come agente legante, questo metallo incrementa le proprietà meccaniche, fabbricative e di saldatura dell'alluminio.
  • Viene impiegato come additivo nei propellenti convenzionali e per la produzione di grafite nodulare nella produzione di ghisa.
  • Agente riduttivo per la produzione di uranio puro e di altri metalli, partendo dai loro sali.
  • L'idrossido di magnesio viene usato nel latte di magnesia, il cloruro di magnesio e il solfato di magnesio nei Sali di Epsom, e il magnesio citrato viene impiegato in medicina.
  • La magnesite bruciata è utilizzata come rivestimento refrattario nelle fornaci.
  • Il magnesio brucia alla temperatura di 2200oC, e questo lo rende una valida fonte di luce per razzi di segnalazione.
  • Il carbonato di magnesio (MgCO3) in polvere viene usato dagli atleti, come i ginnasti o i sollevatori di pesi, per migliorare la presa sugli attrezzi.
  • Altri impieghi includono i flash fotografici (ora sostituiti dai flash elettronici), i giochi pirotecnici e le bombe incendiarie.

Principali agenti leganti [modifica]

  • Alluminio: unito a zinco e silicio aumenta la resistenza della lega, senza influenzare considerevolmente il comportamento al creep ad alta temperatura.
  • Rame: aumenta la fluidità allo stato fuso sostituendo a questo scopo il berillio (bandito per la sua tossicità).
  • Manganese: aggiunto in piccole dosi, serve a segregare le impurità di ferro, responsabili di una forte corrosione anodica a contatto con l'acqua salata.
  • Terre rare: i metalli del gruppo dei lantanidi ([cerio] in particolare) e l'ittrio aumentano fortemente la resistenza delle leghe di magnesio alle alte temperature attraverso la formazione di precipitati duri e altofondenti, mentre lo scandio aumenta il punto di fusione della lega.
  • Torio: aggiunto alle leghe magnesio-zinco, aumenta la resistenza alle alte temperature, ma è altresì usato raramente per la sua radioattività.
  • Zirconio: usato come affinatore di grano.
  • Argento: aggiunto alle leghe magnesio-terre rare ne aumenta considerevolmente la resistenza a tutte le temperature.
  • Scandio: migliora la resistenza al creep quando forma precipitati; se entra solo in soluzione, aumenta il punto di fusione complessivo della lega stessa.
  • Litio: conferisce al magnesio caratteristiche meccaniche inferiori, ma permette di raggiungere densità di 1,3 chilogrammi al decimetro cubo.
  • Calcio: diminuisce la densità

Storia [modifica]

Il nome prende origine dalla parola greca che indica un distretto della Tessalonia chiamato Magnesia. Joseph Black, in Inghilterra, riconobbe il magnesio come elemento nel 1755, Sir Humphrey Davy lo isolò elettroliticamente nel 1808 da una miscela di magnesia e ossido di mercurio, mentre A.A. Bussy lo preparò in forma coerente nel 1831. Il magnesio è l'ottavo elemento per abbondanza nella crosta terrestre. Essendo un metallo alcalino terroso si trova sempre combinato con altri elementi. Si trova in grossi giacimenti di magnesite, dolomite, e altri minerali.

Disponibilità [modifica]

Il magnesio viene ottenuto principalmente dall'elettrolisi di cloruro di magnesio fuso, presente in salamoie e acqua di mare. Anche se il magnesio si trova in oltre 60 minerali: solo dolomite, magnesite, brucite, carnallite, e olivina sono di importanza commerciale.
Isolamento (* segue):
catodo: Mg2+* + 2e- --> Mg
anodo: Cl- --> ½Cl2 (gas) + e-

Composti [modifica]

Il magnesio organico è importante sia per le piante che per gli animali. Le clorofille sono porfirine a base di magnesio. Il fabbisogno giornaliero di magnesio per un adulto, che è influenzato da vari fattori come il peso, è di circa 300 mg.

Isotopi [modifica]

Il magnesio-26 è un isotopo stabile ed ha trovato applicazione in geologia isotopica, similarmente all'alluminio. Il 26Mg è un prodotto radiogenico del 26Al (emivita = 0,72x106 anni). Larghi arricchimenti di 26Mg sono stati osservati all'interno di alcune meteoriti. L'abbondanza anomala di 26Mg viene attribuita al decadimento dell'alluminio-26. Quindi i meteoriti devono essersi formati nella nebulosa solare, prima che il 26Al decadesse. Questi frammenti sono quindi tra i più antichi oggetti del sistema solare e conservano informazioni sulla sua storia iniziale.


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出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

ナトリウム - マグネシウム - アルミニウム
Be
Mg
Ca

一般特性
名称, 記号, 番号 マグネシウム, Mg, 12
分類 アルカリ土類金属
, 周期, ブロック 2 (IIA), 3, s
密度, 硬度 1738 kg/m3, 2.5
銀白色
マグネシウム
原子特性
原子量 24.305 u
原子半径 (計測値) 150 pm (145 pm)
共有結合半径 130 pm
VDW半径 173 pm
電子配置 [Ne]3s2
電子殻 2, 8, 2
酸化数酸化物 2 (強塩基性
結晶構造 六方最密充填構造
物理特性
固体 (常磁性)
融点 923 K (650 )
沸点 1363 K (1090 ℃)
モル体積 14.00 ×10-3 m3/mol
気化熱 127.4 kJ/mol
融解熱 8.954 kJ/mol
蒸気圧 361 (923 K)
音の伝わる速さ 4602 m/s (293.15 K)
その他
クラーク数 1.93 %
電気陰性度 1.31 (ポーリング)
比熱容量 1020 J/(kg*K)
導電率 22.6 106/m Ω
熱伝導率 156 W/(m*K)
第1イオン化エネルギー 737.7 kJ/mol
第2イオン化エネルギー 1450.7 kJ/mol
第3イオン化エネルギー 7732.7 kJ/mol
(比較的)安定同位体
同位体 NA 半減期 DM DE MeV DP
24Mg 78.99% 中性子12個で安定
25Mg 10% 中性子13個で安定
26Mg 11.01% 中性子14個で安定
注記がない限り国際単位系使用及び標準状態下。

マグネシウム(Magnesium、稀にマグネシュームと書かれている場合あり。英語読みはマグニージウムマグニージュウム):原子番号12の元素元素記号Mgクロロフィルの構成要素として知られ、生理的にも重要な元素である。

苦い味に由来して、肥料の業界などでは俗に苦土(くど: bitter salts)ともいい、肥料取締法による苦土肥料の公定規格もある。豆腐を作るときの凝固剤であるにがりも、主成分はマグネシウム塩である。

[編集] 歴史

1808年ハンフリー・デービーにより発見される。

[編集] 性質

アルカリ土類金属の一つ(現在は、狭義の意味ではアルカリ土類金属に含めない)。 比重は1.74、融点は650℃、沸点は1107℃(沸点は異なる実験値あり)。主に海水中に溶けている塩化マグネシウムを取り出し、それを溶融塩電解することによって得られる。

純粋なマグネシウムは酸化され易い。非常に軽い軽合金の材料として重要である。 また、還元作用がある。 燃焼熱は602kJ/mol

[編集] 反応式

\rm CO_2 + 2Mg \longrightarrow 2MgO + C

\rm H_2O + Mg \longrightarrow MgO + H_2

[編集] 用途

マグネシウムはさまざまな合金の第一金属(合金の基本となる金属)としてや、その他の合金に付加されるなど、合金としての用途が大きい。また脱酸素剤脱硫剤として重要な役割を持つほか、たくさんの化合物の合成にかかわる物質として非常に重要である。酸化しやすいうえ、その際に強いを出すという性質を活かし、かつては酸化剤と混合したものがカメラの フラッシュの発光材(フラッシュパウダー、閃光粉)として利用されていた。光量の調節が難しく発光時大量の煙を発生させ、シャッターとの同調も手作業であ るため、閃光電球やストロボが普及するとフラッシュとしては全く使われなくなった。 また、濡れていても発火できるため、最近ではキャンプ用の発火用具にも使われている。 合金よりも軽量で内部損失も高いことから、スピーカーメーカーであるフォステクスは、 純マグネシウムを樹脂でコーティングすることで酸化の問題を解決し,スピーカーユニットの振動板として用いている。(ダイナミック型フルレンジユニットを 1度発売したが、整形の工程が困難であることから限定発売であり、現状ではドーム型高音域ユニットのみ製造・使用されている)

[編集] 合金として

マグネシウム合金の最も重要な特徴は軽量であるところにある。工業的に使用されている金属の中では最も軽い金属である。マグネシウム合金の用途として、航空機自動車農業機械コンテナ工具精密機械トランクボックススポーツ用具パーソナルコンピュータ医療機器宇宙船あるいは兵器など、多種にわたる分野でなどの、これまでの金属部品の代わりとして利用されている。マグネシウム合金の軽量性のため、これまでの重量による事故や損失や損害の減少や、軽量化による使用や加工の簡便さや安全性の向上などが可能となった。プラスチックと比べてリサイクルしやすいのも利点である。これはアルミニウム合金とも共通する事柄であるため、マグネシウム合金とアルミニウム合金とでは、コスト研究の面である種の競合が起こっている。昔は腐食などの問題があったが最近はその問題も解決され用途が広がった。

近年は、携帯電話の筐体などがダイカスト製法で作られ始めた。他にチクソモールディングなど射出成形機が開発されつつあり、コストが安くなればプラスチックに替わる可能性もある。またスピーカーの振動板に用いられ始めている

旋盤加工時等のマグネシウム合金の切屑は引火すると高温で燃え、燃焼時に水を掛けると爆発の虞があり、一般的な消火器では消火できない。切粉はまめに清掃し不燃質の密閉できる容器に収め、消火用の乾燥砂(簡易消火用具参照)を準備する等、細心の注意を払う必要がある。

その他に、マグネシウムはその他の合金の添加元素として少量付加するだけであっても、その合金としての性質を大きく左右する働きを持つ。この性質から、これまでの合金の硬度強度耐食性耐熱性、その他機械的性質を向上させるための研究が活発に行われている。

[編集] 生態系

マグネシウムは植物光合成色素であるクロロフィルの構成成分であるため、マグネシウムの欠乏は、植物の生育の減退、収穫量の減量につながる。これは砂地で生育する植物に特に現れる。カリウムが豊富に含まれる土壌でも、植物へのマグネシウムの供給が行われにくくなることもわかっている。このため肥料として、マグネシウム化合物を含んだものが使用されることがある。

人体にとってもリボソームの構造維持やたんぱく質の合成、その他エネルギー代謝に関する生体機能に必須な元素であるためマグネシウムの欠乏は虚血性心疾患などの原因のひとつと考えられている。生体内でマグネシウムは主にの表面近くにマグネシウムイオンとして保存され、代謝が不足した場合にはカルシウムイオンと置き換わり、マグネシウムが体内に補充される。マグネシウムの生体内での栄養素や薬理的な働きについては広範にわたって研究が行われているが、いまだその重要な面に関しては不明な点が多い。最近では、ミネラル成分のひとつとしてサプリメント清涼飲料水などに添加されることが多くなってきている。

マグネシウムは動植物に対して毒性の強い元素でないため、植物肥料として過剰使用を特に警戒する必要はないが、動物が直接食物から摂取する場合には、他の無機物(リンやカルシウム)とのバランスを適切にしなければ、尿路結石などの原因になりうることがわかっている。これを受けて、用の飼料は、組成中のマグネシウムを減らすように改良されるようになった。

[編集] 人体への摂取

マグネシウムを過剰に摂取すると、下痢を起こす。これを逆手に取り、クエン酸マグネシウムなどは大腸検査のときの下剤として使われる。

また、近年のダイエットブームにより、にがりの過剰摂取で死亡した事例もあるので、安易な過剰摂取は慎むべきである。

[編集] マグネシウムの化合物

マグネシウムはたくさんの錯体塩基性塩などの化合物を合成する。これらは主に化学実験において、合成試料試薬として使われる。肥料原料としては、主に硫酸マグネシウムとして出荷されている。


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