Uhlíkový nanokon - Carbon nanocone

SEM obrázky uhlíkového disku (obrázek vlevo nahoře) a volně stojících dutých uhlíkových nanokonů vyrobených pyrolýzou těžkého oleje v procesu Kvaerner Carbon Black & Hydrogen Process. Maximální průměr je asi 1 mikrometr.[1]

Uhlíkové nanokony jsou kuželovité struktury, které jsou vyrobeny převážně z uhlíku a které mají alespoň jeden rozměr řádově jeden mikrometr nebo menší. Nanokonony mají výšku a průměr základny stejného řádu; to je odlišuje od hrotů nanodráty které jsou mnohem delší než jejich průměr. Nanokonony se vyskytují na povrchu přírodních grafit. Duté uhlíkové nanokony lze také vyrobit rozložením uhlovodíky s plazma pochodeň. Elektronová mikroskopie ukazuje, že úhel otevření (vrchol ) kuželů není libovolný, ale má výhodné hodnoty přibližně 20 °, 40 ° a 60 °. Toto pozorování bylo vysvětleno modelem stěny kužele složeného z omotaného grafen listy, kde geometrický požadavek na bezproblémové spojení přirozeně odpovídal za polodiskrétní charakter a absolutní hodnoty úhlu kužele. Příbuznou uhlíkovou nanoformou je jednostěnný uhlíkový nanohorn které obvykle tvoří agregáty o velikosti 80–100 nm.

Volně stojící duté kužele

Historie a syntéza

Uhlíkové nanokony se vyrábějí průmyslovým procesem, který se rozkládá uhlovodíky do uhlík a vodík s plazmový hořák mající teplotu plazmy nad 2 000 ° C. Tato metoda se často označuje jako Kvaerner Proces výroby sazí a vodíku (CBH) a je relativně „bez emisí“, tj. Produkuje poměrně malé množství látky znečišťující ovzduší. Za určitých, dobře optimalizovaných a patentovaných podmínek[2] produkce pevného uhlíku se skládá z přibližně 20% uhlíkových nanokonů, 70% plochých uhlíkových disků a 10% saze.[1]

Plazmatický rozklad uhlovodíků je již dlouho známý a používá se například pro výrobu uhlíku fullereny. I když není optimalizován, poskytuje malé množství uhlíkových nanokonů, které byly přímo pozorovány pomocí elektronový mikroskop již v roce 1994,[3] a jejich atomová struktura byla teoreticky modelována ve stejném roce.[4][5]

Atomový model kužele s úhlem vrcholu 38,9 °.[1]

Modelování

Statistické rozdělení hodnot vrcholů naměřených na 1700 dutých nanokononech.[6]

Otevřený uhlíkový kužel lze modelovat jako zabalený grafen prostěradlo. Aby bylo zajištěno bezproblémové balení bez napětí, je třeba z listu vystřihnout sektor. Tento sektor by měl mít úhel n × 60 °, kde n = 1, ..., 5. Výsledný úhel kužele by proto měl mít pouze určité diskrétní hodnoty α = 2 arcsiny (1 -n/ 6) = 112,9 °, 83,6 °, 60,0 °, 38,9 ° a 19,2 ° pro n = 1, ..., 5. Grafenový list je složen pouze z uhlíku šestiúhelníky který nemůže tvořit souvislý kužel. Stejně jako ve fullerenech, pětiúhelníky musí být přidány k vytvoření zakřivené špičky kužele a jejich počet je odpovídajícím způsobemn = 1, ..., 5.[1]

Pozorování

Pozorování elektronovou mikroskopií potvrzují modelovou predikci diskrétních úhlů kužele. Je však třeba vzít v úvahu dva experimentální artefakty: (i) nabíjení špatně vodivých uhlíkových vzorků pod elektronovým paprskem, které rozmazává obrazy a (ii) pozorování elektronovou mikroskopií při pevném naklonění vzorku poskytují pouze dvourozměrnou projekci, zatímco 3D tvar je požadováno. První překážka je překonána potažením kuželů kovovou vrstvou o tloušťce několika nanometrů. Druhý problém je řešen pomocí analýzy geometrických tvarů. V kombinaci s významnou statistikou počtu kuželů poskytuje polodiskrétní vrcholové úhly. Jejich hodnoty se odchylují od predikce asi o 10% kvůli omezené přesnosti měření a mírným změnám tloušťky kužele po jeho délce.[1]

Obrázek kávového filtru ilustrující jednu z anomálních struktur v růstu uhlíkového nanoconu.

Absolutní hodnota tloušťky stěny kužele se pohybuje mezi 10 a 30 nm, ale u některých nanokononů může být až 80 nm. Pro objasnění struktury kuželových stěn, elektronová difrakce vzory byly zaznamenány při různých orientacích kužele. Jejich analýza naznačuje, že stěny obsahují 10–30% objednaného materiálu pokrytého amorfním uhlíkem. Elektronová mikroskopie s vysokým rozlišením odhaluje, že uspořádaná fáze sestává z téměř paralelních vrstev grafenu.[6] Amorfní frakci lze převést na dobře uspořádaný grafit žíháním kuželů při teplotách kolem 2700 ° C.[1]

Pozoruhodnou vlastností otevřených uhlíkových nanokonů produkovaných procesem CBH je jejich téměř ideální tvar s rovnými stěnami a kruhovými základnami. Pozorovány jsou také neideální kužely, ale jedná se o výjimky. Jednou takovou odchylkou byl „dvojitý“ kužel, který vypadal, jako by kužel začal růst od špičky s určitým vrcholem úhlu (např. 84 °), ale poté náhle změnil úhel vrcholku (např. Na 39 °) v jednom bodě na jeho povrchu, čímž vznikne zlom ve pozorovaném průřezu kužele. Další anomálií byl kužel s vrcholem prodlouženým z bodu do úsečky, jako v rozšířeném kávový filtr (plochý tvar je zobrazen na obrázku).[1]

Statistické rozložení vrcholných hodnot měřeno na 554 šiškách pěstovaných na přírodním grafitu.[7]

Jiné kužele

Uhlíkové kužely byly také pozorovány od roku 1968 nebo ještě dříve,[8] na povrchu přirozeně se vyskytujícího grafitu. Jejich základny jsou připojeny k grafitu a jejich výška se pohybuje mezi méně než 1 až 40 mikrometry. Jejich stěny jsou často zakřivené a jsou méně pravidelné než stěny laboratorních nanokonů. Distribuce jejich vrcholového úhlu také vykazuje silnou vlastnost při 60 °, ale další očekávané vrcholy, při 20 ° a 40 °, jsou mnohem slabší a distribuce je pro velké úhly poněkud širší. Tento rozdíl se připisuje odlišné struktuře stěny přírodních kuželů. Tyto stěny jsou relativně nepravidelné a obsahují mnoho vady vedení (kladný klín disklinace ). Tím se rozdělí úhlový požadavek na hladký kužel, a proto se rozšíří úhlové rozložení.[7]

Potenciální aplikace

Sekvenční elektronové mikrofotografie zobrazující proces uzavření zlaté jehly uhlíkovým nanokonem CBH (vlevo nahoře)[9]

Uhlíkové nanokony byly použity k zakrytí ultrajemných zlatých jehel. Takové jehly jsou široce používány v mikroskopie skenovací sondy vzhledem k jejich vysoké chemické stabilitě a elektrické vodivosti, ale jejich špičky jsou náchylné k mechanickému opotřebení kvůli vysoké plasticitě zlata. Přidání tenké karbonové čepičky mechanicky stabilizuje hrot, aniž by byly obětovány jeho další vlastnosti.[9]

Reference

  1. ^ A b C d E F G Naess, Stine Nalum; Elgsaeter, Arnljot; Helgesen, Geir; Knudsen, Kenneth D (2009). „Uhlíkové nanokony: struktura stěny a morfologie“. Věda a technologie pokročilých materiálů. 10 (6): 065002. Bibcode:2009STAdM..10f5002N. doi:10.1088/1468-6996/10/6/065002. PMC  5074450. PMID  27877312.
  2. ^ EP 1017622 Lynum S, Hugdahl J, Hox K, Hildrum R a Nordvik M, „Produkce mikrodoménových částic pomocí plazmového procesu“, vydáno 12. 7. 2000 
  3. ^ Ge, Maohui; Sattler, Klaus (1994). "Pozorování fullerenových kuželů". Dopisy o chemické fyzice. 220 (3–5): 192. Bibcode:1994CPL ... 220..192G. doi:10.1016/0009-2614(94)00167-7.
  4. ^ Terrones, Humberto (1994). "Zakřivený grafit a jeho matematické transformace". Journal of Mathematical Chemistry. 15: 143. doi:10.1007 / BF01277556.
  5. ^ Balaban, A; Klein, D; Liu, X (1994). "Grafické kužely". Uhlík. 32 (2): 357. doi:10.1016/0008-6223(94)90203-8.
  6. ^ A b Krishnan, A .; Dujardin, E .; Treacy, M. M. J .; Hugdahl, J .; Lynum, S .; Ebbesen, T. W. (1997). "Grafitové kužele a nukleace zakřivených uhlíkových povrchů". Příroda. 388 (6641): 451. Bibcode:1997 Natur.388..451K. doi:10.1038/41284.
  7. ^ A b Jaszczak, J (2003). „Přirozeně se vyskytující grafitové kužele“ (PDF). Uhlík. 41 (11): 2085. doi:10.1016 / S0008-6223 (03) 00214-8.
  8. ^ Gillot, J; Bollmann, W; Lux, B (1968). „181. Kuželovité krystaly grafitu ve tvaru doutníku“. Uhlík. 6 (2): 237. doi:10.1016/0008-6223(68)90485-5.
  9. ^ A b Cano-Marquez, Abraham G .; Schmidt, Wesller G .; Ribeiro-Soares, Jenaina; Gustavo Cançado, Luiz; Rodrigues, Wagner N .; Santos, Adelina P .; Furtado, Clascidia A .; Autreto, Pedro A.S .; Paupitz, Ricardo; Galvão, Douglas S .; Jorio, Ado (2015). „Vylepšená mechanická stabilita zlatých nanotipů prostřednictvím zapouzdření uhlíkovým nanokonem“. Vědecké zprávy. 5: 10408. Bibcode:2015NatSR ... 510408C. doi:10.1038 / srep10408. PMC  4470435. PMID  26083864.