← назад в раздел База знаний


Углеродные нанотрубки с двойными стенками (DWCNT) образованы двумя концентрическими одностенными углеродными нанотрубками (SWCNT) и поэтому они еще называются "двухстенными" нанотрубками. Диаметр DWCNT обычно больше, чем у SWCNT, и он увеличивается с увеличением количества стенок, достигая нескольких десятков нанометров.

Структура углеродных нанотрубок с двойными стенками

Структура углеродных нанотрубок с двойными стенками состоит из двух слоев концентрически смотанных графеновых листов с расстоянием между ними 0.36 нм и внешним диаметром от 10 до 50 нм, где каждый атом углерода соединен с тремя другими посредством Sp2 гибридизации, четвертый атом углерода образует слабую связь типа Ван-дер-Ваальса с другими графеновыми листами.

Свойства  углеродных нанотрубок с двойными стенками

  • В электронном отношении DWCNT могут вести себя как полупроводниковые, изолирующие или металлические материалы в зависимости от их эластичности и диаметра. Было продемонстрировано их одномерное квантово-электронное поведение. Более того, их исследования показали, что расстояние между двумя стенками, "индивидуальные хиральности" трубок, а также внутренний диаметр оказывают значительное влияние на электрические свойства DWCNT.
  • Новые исследования показывают, что DWCNT могут быть использованы при изготовления плоских экранах из-за их хорошей способности излучать электроны.
  • Было доказано, что углеродные нанотрубки с двойными стенками обладают большей гибкостью и механической прочностью, чем углеродные волокна.
  • Свойства DWCNT могут быть изменены путем размещения атомов металлов внутри них, получая электрические или магнитные нанопровода, которые могут быть использованы для хранения водорода или в качестве системы разделения газов.
  • DWСNT стабильны даже при температуре 2800 °C в вакууме и 750°C на воздухе.

Области применения углеродных нанотрубок с двойными стенками

В 2016 году сообщалось о включении кислорода и фтора в поверхность углеродных нанотрубок. Это было сделано для того, чтобы добиться диспергирования углеродных нанотрубок с двойными стенками в полярных растворителях, особенно в воде, с потенциальным применением при разделении нефтяных эмульсий в воде.

Еще одним важным направлением применения DWCNT является их экранирование, что связано с повышением стойкости. Кроме того, сообщалось, что они могут использоваться в различных типах брони, где особое значение имеют электромагнитное, акустическое и экранирующее воздействие.

В области накопления энергии важно отметить, что двунитевые нанотрубки играют важную роль в хранении водорода, а также представляют собой жизнеспособную альтернативу элементам хранения энергии.

Недавно сообщалось об исследовании по получению композиции на основе углеродных нанотрубок с хитозаном, которая нашла важное применение в качестве поглотителя CO2. (Что такое хитозан? Это разновидность сахара, получаемого из панцирей моллюсков. Его основное применение - в медицине.)

В 2017 году сообщалось об исследовании, посвященном разработке наносенсора на основе углеродных нанотрубок с антителами против бруцеллеза. Исследование показало, что наносенсор может быть использован для простого и быстрого выявления бруцеллеза.

В 2018 году сообщалось о функционализации углеродных нанотрубок фруктозой для получения нанокомпозита на основе крахмала, функция DWCNT с D-фруктозой заключается в получении биомолекулы, используемой в качестве фона в полимерной матрице крахмала. В этом исследовании пленки были получены методом литья, и было обнаружено, что нанокомпозит обладает превосходной однородностью, поскольку углеродные нанотрубки были модифицированы кислотными группами на поверхности и, таким образом, они легко взаимодействовали с крахмалом посредством взаимодействия мостиков водородного типа.

Применение углеродных нанотрубок с двойными стенками при разработке газовых сенсоров

  1. Газовый датчик из углеродных нанотрубок обладает быстрой реакцией, низким энергопотреблением, высокой чувствительностью, небольшим размером, более низкой рабочей температурой и многими другими характеристиками;
  2. Углеродные нанотрубки являются одним из достижений технологии твердотельных датчиков из идеальных наноматериалов благодаря огромному соотношению сторон и удельной площади поверхности датчика из углеродных нанотрубок можно создать высокочувствительный слой материала и эффективный канал возбуждения;
  3. Углеродные нанотрубки позволяют легко интегрировать микроэлектронные устройства, можно изготовить датчик, имеющий множество небольших массивов датчиков;
  4. Газовый датчик из углеродных нанотрубок может работать при комнатной температуре; без использования нагревательных средств для уменьшения объема датчика, датчик снижает потребление энергии, так что центральный элемент может быть увеличен в длину. Отсутсвие нагревательного элемента также продлевает срок службы батареи датчика;
  5. Газовый датчик из углеродных нанотрубок обеспечивает физическую безопасность, защиту промышленности и окружающей среды.

Другие промышленные применения углеродных нанотрубок с двойными стенками

Добавляя небольшое количество углеродных нанотрубок с двойными стенками в полимеры, они изменяют их электрические свойства, что приводит к расширению возможностей промышленного применения:

DWCNT в биомедицине: Исследователи из итальянских университетов вырастили нервные клетки на подложках, покрытых сетями углеродных нанотрубок, и обнаружили увеличение нейронного сигнала, передаваемого между клетками. Поскольку DWCNT похожи по форме и размеру на нервные клетки, они могут помочь в реструктуризации и восстановлении поврежденных нейронов.

DWCNT в автомобилестроении: Антистатические топливные шланги, токопроводящие пластмассы для электростатической окраски.

DWCNT в аэрокосмической промышленности: Детали самолетов.

DWCNT в упаковке: Антистатические материалы для электроники.

DWCNT в проводящих чернилах: Углеродные нанотрубки были использованы при изготовлении проводящих чернил.

DWCNT в чрезвычайно черных материалах: Самое темное вещество, известное на сегодняшний день, было создано из углеродных нанотрубок. Материал был изготовлен в виде матрицы из углеродных нанотрубок низкой плотности, расположенных вертикально. Коэффициент отражения материала в три раза ниже, чем было достигнуто до сих пор. Это вещество из углеродных нанотрубок очень хорошо поглощает свет, но очень плохо его отражает. Группа американских исследователей, принадлежащих к Политехническому институту Ренсселера в Трое, уверяют, что это самое близкое из существующих объектов к черному телу (идеальному телу, которое поглощает свет всех длин волн и под всеми возможными углами). Ожидается, что разработка этих материалов найдет применение в области электроники и в области солнечной энергетики.

Нанотрубки DWCNT в спорте: Благодаря высокой механической прочности нанотрубок, их начинают использовать для изготовления теннисных ракеток, велосипедных рулей и предметов для гольфа.

Выводы

Таким образом, углеродные нанотрубки с двойными стенками находят важное и интересное применение в различных секторах, начиная от систем хранения энергии и заканчивая бронированием. Это связано с их исключительными химическими и физическими свойствами. По этой причине очень важно изучать их с целью разработки новых и улучшенных материалов.