Одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT), как следует из их названия, состоят из одного слоя графена, который имеет цилиндрическую форму. SWCNT очень важны, поскольку обладают определенными свойствами, которых нет у других нанотрубок. Эти свойства позволили создать интересные приложения в различных отраслях.
Структура одностенных углеродных нанотрубок
Центральная часть трубки образована атомами углерода с sp2-гибридизацией, в то время как концы образованы особым распределением пятиугольных и шестиугольных колец, которые придают правильную кривизну и позволяют замкнуть графитовый цилиндр.
Одностенные углеродные нанотрубки имеют диаметр от 0.7 до 10 нм (обычно менее 2 нм) и длину от нескольких нм до нескольких мкм. Следовательно, SWCNT имеют высокое соотношение длины к диаметру, и по этой причине их можно рассматривать как "почти" одномерные структуры. Это придает этим структурам особые свойства.
SWCNT могут отличаться друг от друга расположением ароматических колец (решетки графена) относительно их центральной оси. Другими словами, они отличаются тем, как скручена плоскость графенового листа.
Свойства одностенных углеродных нанотрубок
Свойства проводимости SWCNT изучаются, в частности, потому, что при определенных условиях они ведут себя как баллистические проводники. В этом состоянии не происходит рассеяния электронов, проходящих через нанотрубку, и, следовательно, имеет место проводимость.
Механическая стойкость одностенных углеродных нанотрубок зависит от многих характеристик, наиболее существенными из которых являются прочность межатомных связей основного листа и отсутствие структурных дефектов в решетке. Наличие дефектов играет важную роль в процедурах разрушения с помощью натяжения, поскольку для разрушения полностью бездефектного образца необходимо преодолеть силы сцепления всей поверхности, перпендикулярной направлению натяжения. В действительности наличие дефектов значительно снижает усилие, необходимое для разрушения образца.
Предполагалось, что теоретический модуль Юнга одностенных углеродных нанотрубок может достигать 4 ТПа, а их предел прочности при растяжении должен составлять около 220 ГПа (в 100 раз больше, чем у стали при 6 раз меньшем весе).
Механическая деформация может существенно изменить электрические характеристики одностенных углеродных нанотрубок.
Теплопроводность SWCNT определяется фононами, которые легко распространяются вдоль трубки; именно поэтому одностенные углеродные нанотрубки являются хорошими теплопроводниками и изоляторами.
Области применения одностенных углеродных нанотрубок
Одностенные углеродные нанотрубки находят широкое применение в различных отраслях, 7 из которых обсуждаются ниже:
1.Газопоглощение и капиллярный эффект одностенных углеродных нанотрубок
Благодаря своей трубчатой форме SWCNT обладают замечательными капиллярными свойствами, а их большое соотношение поверхности к массе делает их теоретически идеальными для адсорбции газов.
2. SWCNT в акустике
Некоторые исследователи, стремясь создать новый, более чувствительный микрофон, попытались подражать природе. Поэтому было разработано устройство, которое можно определить как "Искусственную улитку". В этом устройстве нанотрубки-переносчики используются в качестве волосковых клеток нашей слуховой системы. Их движение и, следовательно, колебания под воздействием звуковых волн преобразуются в электрические сигналы.
Нанотрубки также обладают естественной направленностью и отклоняются от источника звука, так что вы можете получать информацию о направлении только с помощью одного датчика, в отличие от обычных устройств или слуховой системы человека, которым обязательно нужны два уха, и нанотрубки способны работать в воздухе. в отличие от других элементов.
Та же технология может быть использована в военных целях (создание датчиков для перехвата подводных лодок) или в медицинских целях (новые стетоскопы, способные ориентироваться в кровотоке и распознавать биохимические реакции, которые невозможно обнаружить иным способом).
3. SWCNT в литий-ионных аккумуляторах
Обычные литий-ионные аккумуляторы прослужат в два раза дольше, если заменить обычные графитовые электроды электродами из углеродных нанотрубок. На самом деле, многочисленные исследования показали, что они способны накапливать ион лития на каждые три атома углерода, в отличие от графита, который накапливает ион лития на каждые шесть атомов углерода.
4. SWCNT в мониторе из углеродных нанотрубок
SWCNT инертны и могут быть более стабильными и практичными, чем обычные источники ввода электронов (металлические или неорганические), для стимулирования излучения цветного света на тонких панелях. В реальных устройствах остаточные газы могут ионизироваться, и образующиеся ионы могут бомбардировать наконечник электронного излучателя, снижая его эффективность. С другой стороны, SWCNT противостоят этому явлению: таким образом, можно будет получить гораздо более долговечные плоские мониторы.
5. SWCNT в катодах в рентгеновского оборудования
Углеродные нанотрубки могут заменить металлические нити, используемые в традиционном рентгеновском оборудовании, которые обязательно должны быть нагреты до высоких температур для последующего воздействия электрическим полем. Потенциальные преимущества такой замены многочисленны: нанотрубки могут работать при комнатной температуре; оборудование может быть изготовлено меньшего размера и даже портативными; оно может быть более эффективными и менее дорогими.
6. SWCNT в качестве антибактериальных нанотрубок
Был открыт класс SWCNT, которые могут быть использованы в качестве лекарственных средств для борьбы с некоторыми бактериальными инфекциями, у которых развилась некоторая устойчивость к традиционным антибактериальным препаратам. В этом случае трубочки обернуты цепочками аминокислот, которые могут атаковать клеточные стенки и, крепясь к ним путем прокалывания, извлекать из себя все важнейшие компоненты. Они также могут использоваться только для того, чтобы атаковать и убивать специфические патогены. В связи с этим были проведены эксперименты на мышах с положительным эффектом для лечения смертельной инфекции, вызванной разновидностью стафилококков, устойчивых к антибактериальным препаратам.
7. SWCNT дял изготовления искусственных мышц
Синтез нанотрубок, похожих на волосы (8 см), открыл путь к созданию надежных приводов для искусственных мышц. Они заменят существующие полимерные гели, которые имеют относительно большой объем и медленно работают (для последних требуется напряжение в 30 В по сравнению с материалом из нанотрубок, для которого требуется всего 1 В). В новых приводах листы из одностенных углеродных нанотрубок используют в качестве электродов конденсатора, пропитанных электролитом.
Выводы:
Таким образом, SWCNT состоят из одного слоя графена и уникальны по своим свойствам, что позволило использовать их в широком спектре применений. Ожидается, что продолжающиеся исследования позволят расширить область их применения в различных отраслях.
