Karbon nano iplik - Carbon nanothread

Bir dizi makalenin parçası
Nanomalzemeler
C60-rods.png
Karbon nanotüpler
Fullerenler
Diğer nanopartiküller
Nanoyapılı malzemeler

Bir karbon nano diş ( elmas nano diş olarak da adlandırılır ) sp 3 bağlı , tek boyutlu bir karbon kristal nanomateryaldir . Tetrahedral sp 3 onun karbonun -bonding benzer olan elmas . Nano iplikler, yalnızca birkaç atom çapında olup, bir insan saçından 20.000 kat daha incedir . Hidrojen atomlarıyla çevrili sert, güçlü bir karbon çekirdekten oluşurlar. Karbon nanotüpleri , aynı zamanda, tek boyutlu nano rağmen, tersine sahip sp 2 -karbon bulunduğu gibi bağlama grafit . En küçük karbon nano-dişlinin çapı yalnızca 0,2 nanometre olup, tek duvarlı bir karbon nanotüpün çapından çok daha küçüktür.

Sentez

Nano iplikler, sıvı benzeni 20 GPa'lık aşırı basınca ( Dünya yüzeyindeki hava basıncının yaklaşık 200.000 katı) sıkıştırarak ve ardından bu basıncı yavaşça tahliye ederek sentezlenir . Mekanokimyasal sentez reaksiyonu, bir organik katı hal kimyası biçimi olarak düşünülebilir . Benzen zincirleri, yapısal olarak elmaslara benzeyen son derece ince, sıkı karbon halkaları oluşturur. Cornell Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, benzenden nano ipliklere giden yolları izlediler; bu , benzen molekülleri yığınları boyunca bir dizi organik [4 + 2] siklo- katma reaksiyonunu ve ardından doymamış bağların daha fazla reaksiyonunu içerebiliyor . Son zamanlarda, yüzlerce mikron boyutundaki nano ipliklerin makroskopik tek kristal dizilerinin sentezi rapor edilmiştir. Tek kristallerdeki tane sınırlarının düzeni ve eksikliği, hem uygulamaları hem de karakterizasyonu kolaylaştırdığı için genellikle çok arzu edilir. Bunun aksine, karbon nanotüpler yalnızca ince kristal halatlar oluşturur. Sıkıştırma ve / veya dekompresyon hızının kontrolü, polikristalin ve tek kristal nano ipliklerin sentezi için önemli görünmektedir. Yavaş sıkıştırma / açma, düşük enerjili reaksiyon yollarını destekleyebilir. Nanothreads için sentez basıncı için kullanılan basınç 6 GPa, 5 ila azaltılabilirse endüstriyel elmas sentezi büyük ölçekte üretim> 10 6 kg / yıl mümkün olacaktır. Küban gibi gergin kafes benzeri moleküllerin öncü olarak kullanılması konusundaki son gelişmeler , sentez basıncını başarıyla 12 GPa'ya düşürdü. Öncü kitaplığın aromatik olmayan, gergin moleküllere genişletilmesi, karbon nano ipliklerin ölçeklenebilir üretimini keşfetmek için yeni yollar sunar.

Nano iplik kristallerinin oluşumu, nano ipliklerin sürekli olarak hizalandığı tek eksenli stres (belirli bir tek yönde mekanik stres) tarafından yönlendiriliyor gibi görünmektedir . Kristalleri oluşturmak için reaksiyon topokimyasal değildir, çünkü daha düşük simetriye sahip bir monoklinik benzen kristalinden daha yüksek simetriye sahip bir altıgen nano dişli kristaline büyük bir yeniden düzenlemeyi içerir . Topokimyasal reaksiyonlar genellikle reaktan ile ürün arasındaki periyodiklikler ve atomlar arası mesafeler arasında orantı gerektirir. Nano-iplik sentezi reaksiyonu sırasında aralarındaki kısa, güçlü kovalent karbon-karbon bağları oluştukça, aralarında van der Waals ayrımları olan benzen molekülleri arasındaki mesafeler % 40 veya daha fazla küçülmelidir. Geometride bu tür büyük değişiklikler olağan kristal düzenini bozar, ancak bunun yerine nano-iplik reaksiyonu onu yaratır. Polikristalin benzen bile , yüzlerce mikron çapında makroskopik tek kristal nano iplik paketleri oluşturmak için reaksiyona girer. Diasetilenlerden tek kristal polidiasetilen oluşumu gibi topokimyasal katı hal reaksiyonları genellikle tek bir kristal ürün oluşturmak için tek bir kristal reaktant gerektirir.

Altıgen kristal oluşumunun itici gücü, dairesel kesitli ipliklerin dolgusu gibi görünmektedir. Monoklinik bir benzen kristalinden altıgen bir nano iplik kristaline nasıl dönüştürülebileceğinin detayları henüz tam olarak anlaşılmamıştır. Basıncın reaksiyonlar üzerindeki etkisi teorisinin daha da geliştirilmesi yardımcı olabilir.

Polytwistane nano ipliklere yönelik organik sentez çabaları bildirilmiştir.

Dönen polytwistane, prototip bir nano iplik yapısı. Siyah atomlar karbondur. Açık gri atomlar hidrojendir.
Polytwistane kristali, altıgen c ekseninden aşağıya baktı. Siyah atomlar karbon ve pembe atomlar hidrojendir. İpliklerin uzunluğu sayfaya giriyor, dairesel kesitlerini ve kristallerde yüzlerce mikronun üzerine uzanan (deneysel olarak) altıgen paketlerini gösteriyor. Altıgen birim hücrenin ana hatları mavi ile gösterilir. Bu kristaller, nano iplik demetleri halinde pul pul dökülür.

Tarih

Popüler kültürde, elmas iplikler ilk olarak Arthur C.Clarke tarafından 1979'da yazılan 22. yüzyılda geçen bilim kurgu romanı The Fountains of Paradise'ta tanımlanmıştır .

Nano iplikler teorik olarak 2001 yılında Penn State Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından ve daha sonra Cornell Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından araştırıldı . 2014 yılında, araştırmacılar Penn State Üniversitesi birinci sp oluşturulan 3 işbirliğiyle -karbon nanothreads , Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı ve Carnegie Bilim Enstitüsü . 2014'ten önce ve bir asırlık araştırmalara rağmen, benzenin sıkıştırıldığında yalnızca hidrojene amorf karbon ürettiği düşünülüyordu. 2015 itibariyle, en az 90 nanometre uzunluğunda ipler oluşturulmuştu (CNT'ler için 0,5 metre ile karşılaştırıldığında).

Yapısı

"Elmas nano dişler" sp 3 -bağlı ve tek boyutlu olduğundan, karbon nanomalzemeler için hibridizasyon (sp 2 / sp 3 ) ve boyutsallık (0D / 1D / 2D / 3D) matrisinde benzersizdirler .

Her bir bitişik halka çiftini birbirine bağlayan en az iki bağa sahip bir veya iki benzen halkasından oluşan bir topolojik birim hücre varsayılarak, 50 topolojik olarak farklı nano-iplikler numaralandırılmıştır. Bunlardan 15'i en kararlı üyenin 80 meV / karbon atomu içindedir. Daha yaygın olarak tartışılan nano-iplik yapılarının bazıları gayri resmi olarak politvistan, tüp (3,0) ve Polimer I olarak bilinir. Polytwistane kiraldir. Tüp (3,0), istiflenmiş sikloheksan halkalardan oluşan, elmas yapıdan oyulabilen mümkün olan en ince iplik olarak düşünülebilir. Polimer I'in yüksek basınçta benzenden oluşması öngörülmüştür.

İki boyutlu X-ışını kırınım modellerinden, transmisyon elektron kırınımından ve katı hal nükleer manyetik rezonansından (NMR), büyük ölçüde (% 75 ila 80) sp ile 6,5 Angstrom çaplı nano dişlerden oluşan altıgen olarak paketlenmiş kristallerden oluşan bir yapı için ikna edici kanıtlar olmasına rağmen . 3- bağ, nano ipliklerin atomik yapısı hala araştırılmaktadır. Nano iplikler ayrıca transmisyon elektron mikroskobu ile de gözlemlenmiştir . Tek tek ipliklerin altıgen kristaller halinde paketlendiği ve uzunlukları boyunca sıralamayı gösteren katman çizgileri gözlenmiştir.

Nano iplikler ayrıca doygunluk derecelerine göre sınıflandırılmıştır. Tamamen doymuş 6. derece nano dişlilerde çift ​​bağ kalmaz . Her bir benzen molekülü çifti arasında üç bağ oluşur. Derece 4 nano-iplikler, benzenden kalan bir çift bağa sahiptir ve bu nedenle, her bir benzen molekülü çifti arasında yalnızca iki bağ oluşmuştur. Derece 2'de kalan iki çift bağ vardır. Aksi belirtilmedikçe, nanothread teriminin altıncı derece bir yapıya atıfta bulunduğu varsayılır.

NMR, nano-iplik kristallerinin hem 6. derece hem de 4. derece ipliklerden oluştuğunu ortaya çıkardı. Dahası, spin difüzyon deneyleri, 6. derece tamamen doymuş iplik kesitlerinin daha uzun değilse en az 2.5 nm uzunluğunda olması gerektiğini göstermektedir. NMR ayrıca nano-iplik kristallerinde ikinci bir hidrokarbon veya karbon fazının bulunmadığını gösterir. Bu nedenle, tüm sp 2 karbon derecesinde ya 4 nanothreads veya aromatik bağlayıcı moleküller, ya da C = O grupları daha da küçük miktarda küçük miktarlarıdır. NMR, sentezleri kısmen doymuş olanlardan daha güçlü olan saf derece 6 nano dişlilere doğru iyileştirmek için gerekli kimyasal yapısal bilgileri sağlar.

Karbon nitrür nano dişliler

Piridin basınç oluşmaktadır karbon nitrit Cı altında yavaş yavaş sıkıştırılmış 5 H 5 N nanothread kristaller. Nano-iplik oluşumunun altı kat kırınım "imzasını" sergilerler. NMR, kimyasal analiz ve kızılötesi spektroskopi, piridinden nano ipliklerin sentezi için daha fazla kanıt sağlar. Piridin nano-iplikler, önemli miktarlarda nitrojeni doğrudan omurgalarına dahil eder. Buna karşılık, sp2 karbon nanotüpler sadece az miktarda nitrojen ile katkılanabilir. Polisiklik aromatik hidrokarbon moleküllerinden elde edilen nano ipliklerin yanı sıra çok çeşitli başka işlevselleştirilmiş nano-iplikler de mümkün olabilir.

En küçük nano iş parçacıkları

Aromatik olmayan, doymuş bir molekülden nano-yivli mimari tasarlama ve yaratma yeteneğini genişletmek, tamamen sp3-bağlı bir nano-yivli yapı elde etmek için son zamanlarda ilgi gören bir konu olmuştur. Küçük inşa Varsayımsal nanothread mimarileri diamondoids ( adamantan ) daha yüksek mekanik dayanıma sahip önerilmiştir benzen nanothreads. Yeni bir tamamen sp3 bağlı tek boyutlu karbon nanomateryalinin ilk deneysel sentezi, kübin endojen katı hal polimerizasyonu yoluyla gerçekleştirilir . Yığın kristaldeki önceden düzenlenmiş küba monomerler, benzene benzer şekilde uygulanan tek eksenli stres tarafından yönlendirilen diradikal polimerizasyona tabi tutulur ve tek kristalli bir karbon nanomateryal üretir. Küban türevi nanothread doğrusal sergileyen elmas karbon nanothread ailesinin en küçük üyesi olarak kabul edilir 0.2 nm subnanometre-çaplı bir yapı; böylece, bilinen en katı tek boyutlu sistemi oluşturmayı vaat ediyorlar.

Özellikleri

Her tür nano iş parçacığı çok yüksek Young modülüne (sertlik) sahiptir. Nanothread en güçlü türü için değer 900 civarındadır GPa GPa 1,200 üzerinde 200 GPa de çelik ve elmas ile karşılaştırıldığında. Karbon nano ipliklerin gücü, karbon nanotüplere ( CNT'ler) rakip olabilir veya bunu aşabilir . Moleküler dinamikler ve Yoğunluk fonksiyonel teori simülasyonları, karbon nanotüplerin sırasına göre bir sertlik (yaklaşık 850 GPa) ve yaklaşık olarak bir özgül mukavemet göstermiştir. 4 × 10 7 N · m / kg.

Çok grafit olarak pul pul dökülmesi için sonuçta tabakalar halinde ve grafin , nanothread kristaller yapıları STIFF oluşan tutarlı, fiberler halinde pul pul, Waals kuvvetleri der van ile bir arada tutulur ~ 100 nm'lik bir kalıcılık uzunluğuna sahip düz dişlere. Bu lifler , düşük boyutlu karakterlerinden bekleneceği gibi çift ​​kınlım sergiler . Bunun tersine, çoğu polimer çok daha esnektir ve kolayca pul pul dökülen kristaller oluşturmaktan ziyade genellikle kristalin lamel şeklinde katlanır (bkz . Polimerlerin Kristalizasyonu ).

Modelleme, belirli nano ipliklerin negatif Poisson oranıyla yardımcı olabileceğini öne sürüyor . Isı iletkenliği nanothreads arasında modellenmiştir. Modelleme, Band aralıklarının geniş bir aralıkta zorlanmaya göre ayarlanabileceğini gösterir . Topoloji tarafından yönlendirilen tamamen doymuş nano dişlilerin elektriksel iletkenliği beklenenden çok daha yüksek olabilir.

Potansiyel uygulamalar

Nano iplikler, esasen "esnek elmas" olarak düşünülebilir. Modelleme yoluyla onlar için tahmin edilen son derece yüksek özgül mukavemet , uzay asansörleri gibi uygulamalar için dikkat çekmiştir ve ulaşım, havacılık ve spor ekipmanı ile ilgili diğer uygulamalarda yararlı olacaktır. Aşırı güç, esneklik ve direnci benzersiz bir şekilde birleştirebilirler. Kimyasal olarak ikame edilmiş nano dişliler, mekanik mukavemetlerini çevreleyen bir matrise aktarmak için kovalent bağlama yoluyla komşular arasında yük transferini kolaylaştırabilir. Modelleme ayrıca, nano-dişlilerdeki Stone-Wales dönüşümleriyle ilişkili bükülmelerin, çevreleyen bir matrise arayüzey yük transferini kolaylaştırabileceğini ve bu da onları yüksek mukavemetli kompozitler için faydalı hale getirebileceğini ileri sürüyor. Karbon nanotüplerin aksine, nano ipliklerin dış tarafına olan bağların karbon çekirdeğini bozması gerekmez çünkü dört dört yüzlü bağdan sadece üçüne ihtiyaç vardır. Genellikle hidrojene oluşturulan "ekstra" bağ, bunun yerine başka bir nano-ipliğe veya başka bir molekül veya atoma bağlanabilir. Nano-iplikler bu nedenle hem hidrokarbon molekülleri hem de karbon nanomateryaller olan "hibritler" olarak düşünülebilir. Karbon nano borucuklar için bağlar yakınında düzlemsel sp değişikliğine karşı karbon gerektirir 2 yüzlü sp -bonding 3 böylece boru şekilli geometri bozarak ve muhtemelen bunları zayıflaması -bonding. Nano iplikler, karbon nanotüplere göre kusurlardan kaynaklanan güç kaybına daha az duyarlı olabilir. Şimdiye kadar, karbon nanotüpler için tahmin edilen aşırı kuvvet, çevreye yük aktarımı ile ilgili sorunlar ve atomlarınkinden itibaren çeşitli uzunluk ölçeklerindeki kusurlar nedeniyle pratik uygulamalarda büyük ölçüde gerçekleştirilememiştir.

Ayrı ayrı nano iplikler halinde pul pul dökülme mümkün olabilir, bu da daha fazla işlevselleştirmeyi ve işlevsel malzemeler halinde birleştirmeyi kolaylaştırır. Teori, "çoklu σ-iletkenlik kanalları (nano-dişliler gibi) sunan kafesli doymuş hidrokarbonların, özellikle bu yollar tamamen kuaterner karbon atomlarından oluşuyorsa, geleneksel üst üste binme yasalarına dayalı olarak beklenenin çok ötesinde bir iletim sağladığını” belirtir.

Nano ipliklerin karbon çekirdeği, geleneksel polimerlerin omurgasına göre çok serttir. Bu nedenle, uzunlukları boyunca (hidrojenin ikame edilerek) birbirlerine ve omurgalarındaki heteroatomlara veya doymamış bağlara bağlı moleküler fonksiyonları tam olarak yönlendirebilmeleri gerekir. Bu özellikler, örneğin biyolojik uygulamaları etkinleştirebilir. Kontrollü yönlendirme ve aralarındaki mesafe ile nano ipliklerin omurgasının içine veya dışına dahil edilen kusurlar, fonksiyonel gruplar ve / veya heteroatomlar , sağlam, iyi kontrol edilen flüoresansa izin verebilir. Nano-diş omurgasına nitrojen veya bor gibi heteroatomların katkılanması ve dahil edilmesi, fotokatalizörler, elektron yayıcılar veya muhtemelen süper iletkenler olarak uygulamaya izin veren nano-dişlilerin gelişmiş iletkenlik veya yarı iletkenlik özelliklerine izin verebilir.

Modelleme, karbon nano-iplik rezonatörlerinin düşük dağılım gösterdiğini ve çok küçük kütle değişikliklerini algılayabilen kimyasal sensörler olarak faydalı olabileceğini öne sürüyor.

Enerji depolama

Simülasyonlar, bazı achiral nano-iplik demetlerinin lityum pillerden daha yüksek spesifik enerji yoğunluğuna (büküldüğünde) sahip olabileceğini göstermektedir.

Ayrıca bakınız

Dış bağlantılar

Referanslar