Kolnanotråd

C60-rods.png
Del av en serie artiklar om
nanomaterial
Kolnanorör
Fullerener
Andra nanopartiklar
Nanostrukturerade material

En kolnanotråd (även kallad diamantnanotråd ) är ett sp 3- bundet , endimensionellt kolkristallint nanomaterial . Den tetraedriska sp 3 -bindningen av dess kol liknar den hos diamant . Nanotrådar är bara ett fåtal atomer tvärs över, mer än 20 000 gånger tunnare än ett människohår . De består av en styv, stark kolkärna omgiven av väteatomer. Kolnanorör , även om de också är endimensionella nanomaterial, har däremot sp 2 - kolbindning som finns i grafit . Den minsta nanotråden i kol har en diameter på endast 0,2 nanometer, mycket mindre än diametern på ett enkelväggigt kolnanorör.

Syntes

Nanotrådar syntetiseras genom att komprimera flytande bensen till ett extremt tryck på 20 GPa (cirka 200 000 gånger lufttrycket vid jordens yta) och sedan långsamt avlasta det trycket. Den mekanokemiska syntesreaktionen kan betraktas som en form av organisk fast tillståndskemi . Bensenkedjorna bildar extremt tunna, täta ringar av kol som strukturellt liknar diamanter. Forskare vid Cornell University har spårat vägar från bensen till nanotrådar, vilket kan involvera en serie organiska [4+2] cykloadditionsreaktioner längs staplar av bensenmolekyler, följt av ytterligare reaktioner av omättade bindningar. Nyligen har syntes av makroskopiska enkristalluppsättningar av nanotrådar som är hundratals mikrometer i storlek rapporterats. Ordningen och avsaknaden av korngränser i enkristaller är ofta mycket önskvärd eftersom det underlättar både tillämpningar och karakterisering. Däremot bildar kolnanorör bara tunna kristallina rep. Kontroll av hastigheten för kompression och/eller dekompression verkar vara viktig för syntesen av polykristallina och enkristallinanotrådar. Långsam kompression/dekompression kan gynna reaktionsvägar med låg energi. Om syntestrycket för nanotrådar kan reduceras till 5 till 6 GPa, vilket är det tryck som används för syntes av industriell diamant, skulle produktion i stor skala på >10 6 kg/år vara möjlig. De senaste framstegen med att använda ansträngda burliknande molekyler som kuban som prekursor har framgångsrikt sänkt syntestrycket till 12 GPa. Att utöka prekursorbiblioteket till icke-aromatiska, ansträngda molekyler erbjuder nya vägar för att utforska skalbar produktion av kolnanotrådar.

Bildandet av nanotrådkristaller verkar styras av enaxlig spänning (mekanisk spänning i en viss enskild riktning), till vilken nanotrådarna konsekvent är i linje. Reaktionen för att bilda kristallerna är inte topokemisk, eftersom den involverar en större omarrangemang från en monoklin bensenkristall med lägre symmetri till en sexkantig nanotrådkristall med högre symmetri. Topokemiska reaktioner kräver i allmänhet kommensuration mellan periodiciteter och interatomära avstånd mellan reaktant och produkt. Avstånden mellan bensenmolekyler med van der Waals- separationer mellan dem måste krympa med 40 % eller mer eftersom de korta, starka kovalenta kol-kolbindningarna mellan dem bildas under nanotrådssyntesreaktionen. Sådana stora förändringar i geometri bryter vanligtvis upp kristallordningen, men nanotrådsreaktionen skapar den istället. Till och med polykristallint bensen reagerar för att bilda makroskopiska enkristallpackningar av nanotrådar som är hundratals mikrometer i diameter. Topokemiska fasta tillståndsreaktioner såsom bildning av enkristallpolydiacetylener från diacetylener kräver vanligtvis en enkristallreaktant för att bilda en enkristallprodukt.

Drivkraften för bildandet av en hexagonal kristall verkar vara packningen av cirkulära tvärsnittstrådar. Detaljerna för hur det är möjligt att omvandla från en monoklin bensenkristall till en hexagonal nanotrådkristall är ännu inte helt klarlagda. Ytterligare utveckling av teorin om effekten av tryck på reaktioner kan hjälpa.

Organiska syntesansträngningar mot polytwistan-nanotrådar har rapporterats.

Roterande polytwistan, en prototypisk nanotrådstruktur. Svarta atomer är kol. Ljusgrå atomer är väte.
Polytwistankristall sedd nedför sin hexagonala c-axel. Svarta atomer är kol och rosa atomer är väte. Trådarnas längd går in på sidan och visar deras cirkulära tvärsnitt och hexagonala packning som (experimentellt) sträcker sig över hundratals mikron i kristaller. Konturen av den hexagonala enhetscellen visas i blått. Dessa kristaller exfolierar till buntar av nanotrådar.

Historia

I populärkulturen beskrevs diamanttrådar först av Arthur C. Clarke i hans sci-fi-roman The Fountains of Paradise som utspelar sig på 2200-talet, skriven 1979.

Nanotrådar undersöktes först teoretiskt 2001 av forskare vid Penn State University och senare av forskare vid Cornell University . 2014 skapade forskare vid Penn State University de första sp 3 -kol nanotrådarna i samarbete med Oak Ridge National Laboratory och Carnegie Institution for Science . Före 2014, och trots ett sekel av undersökningar, ansågs bensen endast producera hydrerat amorft kol när det komprimeras. Från och med 2015 hade trådar med en längd på minst 90 nanometer skapats (jämfört med 0,5 meter för CNT).

Strukturera

Eftersom "diamant-nanotrådar" är sp 3 -bundna och endimensionella är de unika i hybridiseringsmatrisen ( sp 2 /sp 3 ) och dimensionalitet (0D/1D/2D/3D) för kolnanomaterial.

Om man antar en topologisk enhetscell av en eller två bensenringar med minst två bindningar som sammanbinder varje intilliggande par av ringar, har 50 topologiskt distinkta nanotrådar räknats upp. 15 av dessa ligger inom 80 meV/kolatom från den mest stabila medlemmen. Några av de mer allmänt diskuterade nanotrådstrukturerna är informellt kända som polytwistan, tube (3,0) och Polymer I. Polytwistan är kiralt. Rör (3,0) kan ses som den tunnaste möjliga tråden som kan skäras ut ur diamantstrukturen, bestående av staplade cyklohexanringar. Polymer I förutspåddes bildas från bensen vid högt tryck.

Även om det finns övertygande bevis från tvådimensionella röntgendiffraktionsmönster , transmissionselektrondiffraktion och solid-state nukleär magnetisk resonans ( NMR) för en struktur som består av hexagonalt packade kristaller med 6,5 Ångströms diameter nanotrådar med till stor del (75 till 80 %) sp. 3 -bindning är atomstrukturen hos nanotrådar fortfarande under utredning. Nanotrådar har också observerats genom transmissionselektronmikroskopi . Individuella trådar har observerats packas i hexagonala kristaller och skiktlinjer som indikerar ordning längs deras längd har observerats.

Nanotrådar har också klassificerats efter deras mättnadsgrad. Fullt mättade grad 6 nanotrådar har inga dubbelbindningar kvar. Tre bindningar bildas mellan varje par av bensenmolekyler. Grad 4 nanotrådar har en dubbelbindning kvar från bensen och alltså bara två bindningar bildade mellan varje par bensenmolekyler. Grad 2 har två dubbelbindningar kvar. Om inte annat anges antas termen nanotråd hänvisa till en struktur av grad sex.

NMR har avslöjat att nanotrådskristaller består av både grad 6 och grad 4 trådar. Dessutom visar spindiffusionsexperiment att sektionerna av trådarna som är helt mättade grad 6 måste vara minst 2,5 nm långa, om inte längre. NMR visar också att inget andra kolväte eller kolfas finns i nanotrådkristaller. Allt sp2-kol är alltså antingen i grad 4 nanotrådar eller små mängder aromatiska länkmolekyler, eller till och med mindre mängder C=O-grupper. NMR tillhandahåller den kemiska strukturella informationen som krävs för att förfina synteser mot rena grad 6 nanotrådar, som är starkare än de delvis mättade.

Kolnitrid nanotrådar

Pyridin som komprimeras långsamt under tryck bildar kolnitrid C 5 H 5 N nanotrådkristaller. De uppvisar den sexfaldiga diffraktions"signaturen" för nanotrådbildning. NMR, kemisk analys och infraröd spektroskopi ger ytterligare bevis för syntesen av nanotrådar från pyridin. Pyridin nanotrådar innehåller betydande mängder kväve direkt i sin ryggrad. Däremot kan sp2 kolnanorör endast dopas med en liten mängd kväve. Ett brett utbud av andra funktionaliserade nanotrådar kan vara möjliga, såväl som nanotrådar från polycykliska aromatiska kolvätemolekyler.

Minsta nanotrådar

Att utöka förmågan att designa och skapa nanotrådsarkitektur från en icke-aromatisk, mättad molekyl har varit ett nyligen intresse för att uppnå en helt sp3-bunden nanotrådstruktur. Hypotetiska nanotrådsarkitekturer byggda av de minsta diamantoiderna ( adamantan ) har föreslagits ha högre mekanisk hållfasthet än bensennanotrådar . Den första experimentella syntesen av ett nytt rent sp3-bundet endimensionellt kolnanomaterial realiseras via en endogen solid-state polymerisation av cubane . Förarrangerade kubanska monomerer i bulkkristallen genomgår diradikal polymerisation styrd av applicerad enaxlig spänning, liknande bensen , producerar ett enkristallint kolnanomaterial. Den kubanska härledda nanotråden uppvisar en linjär diamantstruktur med en subnanometerdiameter på 0,2 nm, vilket anses vara den minsta medlemmen i kolnanotrådsfamiljen; sålunda lovar de att bilda det styvare endimensionella systemet som är känt.

Egenskaper

Varje typ av nanotråd har en mycket hög Youngs modul (styvhet). Värdet för den starkaste typen av nanotråd är runt 900 GPa jämfört med stål vid 200 GPa och diamant på över 1 200 GPa. Styrkan hos kolnanotrådar kan konkurrera med eller överträffa styrkan hos kolnanorör (CNT). Molekylär dynamik och densitetsfunktionella teorisimuleringar har indikerat en styvhet i storleksordningen kolnanorör (ca 850 GPa) och en specifik styrka på ca. 4 x 107 N ·m/kg.

På samma sätt som grafit exfolierar till ark och i slutändan grafen , exfolierar nanotrådkristaller till fibrer, i överensstämmelse med deras struktur som består av styva, raka trådar med en uthållighetslängd på ~100 nm som hålls samman med van der Waals-krafter. Dessa fibrer uppvisar dubbelbrytning , vilket kan förväntas av deras lågdimensionella karaktär. Däremot är de flesta polymerer mycket mer flexibla och vikas ofta till kristallina lameller (se Kristallisering av polymerer ) snarare än att formas till kristaller som lätt exfolierar.

Modellering tyder på att vissa nanotrådar kan vara auxetiska, med ett negativt Poisson-förhållande . Värmeledningsförmågan hos nanotrådar har modellerats . Modellering indikerar att deras Bandgaps är avstämbara med belastning över ett brett spektrum. Den elektriska ledningsförmågan för helt mättade nanotrådar, driven av topologi, kan vara mycket högre än förväntat.

Potentiella applikationer

Nanotrådar kan i huvudsak betraktas som "flexibel diamant". Den extremt höga specifika styrkan som förutspås för dem genom modellering har uppmärksammats för applikationer som rymdhissar och skulle vara användbar i andra applikationer relaterade till transport, rymd- och sportutrustning. De kan på ett unikt sätt kombinera extrem styrka, flexibilitet och motståndskraft. Kemiskt substituerade nanotrådar kan underlätta lastöverföring mellan grannar genom kovalent bindning för att överföra deras mekaniska styrka till en omgivande matris. Modellering tyder också på att vecken som är förknippade med Stone-Wales-transformationer i nanotrådar kan underlätta överföring av gränsytlast till en omgivande matris, vilket gör dem användbara för höghållfasta kompositer. I motsats till kolnanorör behöver bindningar till utsidan av nanotrådar inte störa deras kolkärna eftersom endast tre av de fyra tetraedriska bindningarna behövs för att bilda den. Den "extra" bindning som vanligtvis bildas till väte kan istället kopplas till en annan nanotråd eller en annan molekyl eller atom. Nanotrådar kan alltså ses som "hybrider" som är både kolvätemolekyler och kolnanomaterial. Bindningar till kolnanorör kräver att deras kol ändras från nära plan sp 2 -bindning till tetraedrisk sp 3 -bindning, vilket stör deras rörformiga geometri och eventuellt försvagar dem. Nanotrådar kan vara mindre känsliga för förlust av styrka genom defekter än kolnanorör. Hittills har den extrema styrkan som förutspåtts för kolnanorör i stort sett inte realiserats i praktiska tillämpningar på grund av problem med lastöverföring till omgivningen och defekter på olika längdskalor från atomernas och uppåt.

Exfoliering till individuella nanotrådar kan vara möjlig, vilket underlättar ytterligare funktionalisering och montering till funktionella material. Teori indikerar att "burade mättade kolväten som erbjuder flera σ-konduktanskanaler (såsom nanotrådar) ger överföring långt utöver vad som kunde förväntas baserat på konventionella superpositionslagar, särskilt om dessa vägar är sammansatta helt av kvartära kolatomer."

Kolkärnan i nanotrådar är mycket styv i förhållande till ryggraden i konventionella polymerer. De bör således kunna exakt orientera molekylära funktioner fästa längs deras längd (genom substitution av väte) i förhållande till varandra och till heteroatomer eller omättade bindningar i deras ryggrad. Dessa funktioner kan till exempel möjliggöra biologiska tillämpningar. Defekter, funktionella grupper och/eller heteroatomer som ingår antingen i eller utanför ryggraden i nanotrådar med kontrollerad orientering och avstånd mellan dem kan möjliggöra robust, välkontrollerad fluorescens. Dopning och inkorporering av heteroatomer såsom kväve eller bor i nanotrådens ryggrad kan möjliggöra förbättrade ledande eller halvledande egenskaper hos nanotrådar som tillåter applicering som fotokatalysatorer, elektronemittrar eller möjligen supraledare.

Modellering tyder på att kolnanotrådsresonatorer uppvisar låg förlust och kan vara användbara som kemiska sensorer som kan upptäcka mycket små massaförändringar.

Energilagring

Simuleringar visar att vissa akirala nanotrådsbuntar kan ha specifik energitäthet (när de är vridna) högre än litiumbatterier.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Carbon_nanothread&oldid=1139141108 "