Pojedyncze i podwójne wielościenne nanorurki węglowe

Jia Choi, PhD, Yong Zhang, Ph.D

Czytaj więcej o

• O nanorurkach węglowych
• Single-Walled Carbon Nanotubes
• wielościenne nanorurki węglowe
• Double-Walled Carbon Nanotubes
• References

O nanorurkach węglowych

Nanorurki węglowe (CNT), czasami określane po prostu jako "nanorurki" to cylindryczne nanostruktury alotropu węgla, przypadkowo odkryte przez japońskiego fizyka Sumio Iijimę podczas badania powierzchni elektrod grafitowych w wyładowaniu łuku elektrycznego.¹ Od czasu ich odkrycia, CNT odgrywają fundamentalną rolę w dziedzinie nanotechnologii ze względu na ich unikalne właściwości strukturalne, mechaniczne i elektroniczne.^1-3

CNT mają wysoką przewodność i wysoki współczynnik kształtu, co pomaga im tworzyć sieć rurek przewodzących. Ich wyjątkowe właściwości mechaniczne wynikają z połączenia sztywności, wytrzymałości i wytrzymałości na rozciąganie.⁴ Wbudowane w polimer, CNT przenoszą swoje obciążenie mechaniczne na matrycę polimerową przy znacznie niższym procentowym udziale wagowym niż sadza lub włókna węglowe, co prowadzi do bardziej wydajnych zastosowań. CNT zostały również wykorzystane do ochrony termicznej jako materiały interfejsu termicznego. Ich interesujące właściwości elektroniczne i mechaniczne mogą być wykorzystywane w wielu zastosowaniach, takich jak wyświetlacze polowo-emisyjne,⁵ materiały nanokompozytowe,⁶ nanosensory,⁷ i elementy logiczne.⁸ CNT były szeroko badane pod kątem użyteczności w najnowocześniejszej produkcji elektronicznej, a także rozszerzone na dziedziny farmaceutyczne w leczeniu kilku rodzajów chorób.⁹

Single-Walled Carbon Nanotubes

Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) (Product No. 755710) to bezszwowe cylindry składające się z warstwy grafenu. Mają unikalne właściwości elektroniczne, które mogą się znacząco zmieniać w zależności od wektora chiralnego, C = (n, m), parametru, który wskazuje, w jaki sposób arkusz grafenu jest zwijany w celu utworzenia nanorurki węglowej.¹⁰

Zależność przewodnictwa elektrycznego SWNT od wartości (n, m) pokazano w Tabeli 1. W zależności od sposobu walcowania, przerwa pasmowa SWNT może wahać się od 0 do 2 eV, a przewodnictwo elektryczne może wykazywać właściwości metaliczne lub półprzewodnikowe.

Tabela 1 Teoretyczne przewodnictwo elektronowe jednościennych nanorurek węglowych (SWNT) w zależności od orientacji rolki arkusza grafenu (n, m).10

(n, m)	Forma SWNTs	Przewodnictwo elektryczne
(n, 0)	Zigzag	Metaliczny gdy n jest wielokrotnością 3, w przeciwnym razie półprzewodnikowy
(n, n)	Fotel	Metaliczny
(n, m) gdy m ≠ 0, a n	Chiral	Metaliczny, gdy (2n+m)/3 jest liczbą całkowitą, w przeciwnym razie półprzewodnikowy

Przewodność cieplna i elektryczna nanorurek węglowych jest bardzo wysoka i porównywalna do innych materiałów przewodzących, jak pokazano w Tabeli 2.¹¹

.

Tabela 2 Właściwości transportowe nanorurek węglowych i innych materiałów przewodzących.11

Materiał	Przewodność cieplna [W/(m-K)]	Przewodność elektryczna [S/m]
Nanorurki węglowe	> 3,000	106 - 107
Miedź	400	6 x 107
Włókno węglowe. Pitch	1,000	2 - 8.5 x 106
Włókno węglowe - PAN	8 - 105	6.5 - 14 x 106

Wielościenne nanorurki węglowe

Wielościenne nanorurki węglowe (MWNT) (Nr produktu. 755133, 755117) składają się z wielu zwiniętych warstw grafenu. MWNT nie zostały dobrze zdefiniowane ze względu na ich złożoność strukturalną i różnorodność w porównaniu do SWNT. Niemniej jednak MWNT wykazują przewagę nad SWNT, takie jak łatwość masowej produkcji, niski koszt jednostkowy produktu oraz zwiększona stabilność termiczna i chemiczna. Ogólnie rzecz biorąc, właściwości elektryczne i mechaniczne SWNT mogą ulec zmianie po funkcjonalizacji, ze względu na defekty strukturalne powstałe w wyniku zerwania wiązań C=C podczas procesów chemicznych. Jednakże, wewnętrzne właściwości nanorurek węglowych mogą być zachowane poprzez modyfikację powierzchni MWNTs, gdzie zewnętrzna ściana MWNTs jest narażona na działanie modyfikatorów chemicznych.

Modyfikacja powierzchni CNTs jest wykonywana w celu wprowadzenia nowych właściwości do nanorurek węglowych dla wysoce specyficznych zastosowań, które często wymagają rozpuszczalnika organicznego lub rozpuszczania w wodzie, zwiększenia funkcjonalności, dyspersji i kompatybilności lub obniżenia toksyczności CNTs.¹²  Wspólnie funkcjonalizowane CNT, takie jak MWNT-COOH (Nr produktu. 755125), są otrzymywane poprzez utlenianie za pomocą różnych kwasów, ozonu lub plazmy, co tworzy inne tlenowe grupy funkcyjne (np, -OH, -C=O). Obecność grup zawierających tlen sprzyja złuszczaniu wiązek CNT i zwiększa rozpuszczalność w mediach polarnych oraz powinowactwo chemiczne ze związkami zawierającymi estry, takimi jak poliestry. Grupy COOH na powierzchni nanorurek są użytecznymi miejscami do dalszej modyfikacji. Różne cząsteczki, takie jak syntetyczne i naturalne polimery, mogą być szczepione poprzez tworzenie wiązań amidowych i estrowych.¹³

Double-Walled Carbon Nanotubes

Double-walled carbon nanotubes (DWNTs) (Product No. 755168, 755141) to syntetyczna mieszanka zarówno jednościennych, jak i wielościennych nanorurek, wykazująca właściwości pośrednie między tymi dwoma typami. DWNT składają się z dokładnie dwóch koncentrycznych nanorurek oddzielonych od siebie o 0,35 - 0,40 nm, z wystarczającymi przerwami w paśmie do zastosowania w tranzystorach polowych.¹⁴ Wewnętrzne i zewnętrzne ściany DWNT mają właściwości rozpraszania optycznego i ramanowskiego każdej ściany.¹⁵ Teoretycznie, jeśli każda ściana zachowuje się jak SWNT, DWNT mogą składać się z czterech kombinacji opartych na typie elektronowym (metalicznym lub półprzewodnikowym) zgodnie z wartościami (n, m) ich ścian wewnętrznych i zewnętrznych, np, metaliczno-metaliczne (wewnętrzna-zewnętrzna), metaliczno-półprzewodnikowe, półprzewodnikowo-metaliczne i półprzewodnikowo-półprzewodnikowe. Niektóre badania eksperymentalne wykazały, że nawet jeśli obie ściany są półprzewodnikowe, DWNT mogą zachowywać się jak metal.¹⁶ Ta komplikacja ich ogólnego zachowania elektrycznego ograniczyła użyteczność DWNT do zastosowań takich jak elektronika cienkowarstwowa. Jednak DWNT wykazują również kilka korzystnych właściwości obserwowanych w przypadku MWNT, takich jak lepsze czasy życia i gęstości prądu dla emisji polowej oraz wysoka stabilność w agresywnej obróbce chemicznej, mechanicznej i termicznej, a także elastyczność obserwowana w przypadku SWNT.¹⁷ Selektywna funkcjonalizacja zewnętrznej ściany doprowadziła do zastosowania DWNT jako układów typu rdzeń-powłoka wykonanych z nieskazitelnego rdzenia nanorurek węglowych i chemicznie funkcjonalizowanych powłok nanorurek, które mają zastosowanie jako środki obrazujące i terapeutyczne w układach biologicznych.¹⁸ DWNT mogą być wykorzystywane w czujnikach gazu¹⁹ jako czułe materiały do wykrywania gazów takich jak H₂, NH₃, NO₂ lub O_2, dielektryków,²⁰ oraz wymagających technicznie zastosowań, takich jak wyświetlacze polowo-emisyjne i fotowoltaika.²¹

Oferujemy wysokiej jakości nanorurki SWNT, MWNT i DWNT, z których niektóre są najbardziej przewodzącymi elektrycznie dodatkami dostępnymi obecnie, na potrzeby badań nad innowacyjnymi i zaawansowanymi materiałami. We wskazanych przypadkach nanorurki te są wytwarzane za pomocą techniki katalitycznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (CCVD), sprawdzonego procesu przemysłowego dobrze znanego ze swojej niezawodności i skalowalności, i są oczyszczane lub funkcjonalizowane w celu zwiększenia wydajności w zastosowaniach badawczych, w których wymagane są specjalne właściwości chemiczne, takie jak wysoka powierzchnia, przezroczystość lub wysoka charakterystyka emisji pola.

Nanorurki węglowe mogą być wykorzystywane w szerokim zakresie nowych i istniejących zastosowań:

• Przewodzące tworzywa sztuczne
• Strukturalne materiały kompozytowe
• Wyświetlacze płaskie
• Magazynowanie gazu
• Farby przeciwporostowe
• Mikro- i nanoelektronika
• Powłoka pochłaniająca promieniowanie radarowe
• Wysokofunkcjonalne tekstylia
• Ultrakondensatory
• Końcówki do mikroskopu sił atomowych (AFM)
• Baterie o zwiększonej żywotności
• Biosensory szkodliwych gazów
• Niezwykle wytrzymałe i przewodzące włókna
• Dostarczanie leków
• Zastosowania bioinżynieryjne, takie jak urządzenia do magazynowania i konwersji energii, źródła promieniowania i nośniki wodoru

Szczegółowe opisy dostępnych nanorurek węglowych przedstawiono w Tabeli 3. Podane szczegóły specyfikacji pomogą wybrać odpowiedni materiał do danego zastosowania.

Tabela 3 Szczegóły specyfikacji nanorurek węglowych

Nr produktu	Obraz TEM	Opis
755710		Obraz TEM	Opis
755710		Single-walled izolowane i wiązane nanorurki węglowe w proszku 2 nm (średnica, mierzona za pomocą HRTEM) x kilka µm (długość, mierzona za pomocą TEM / SEM) Carbon purity : 70% (według TGA) Zanieczyszczenie tlenkiem metalu: < 30 % (wg TGA) Wysoka powierzchnia właściwa (> 1000 m2/g wg BET)
755168	.	Double-walled isolated and bundled carbon nanotubes powder 3.5 nm (średnica, wg HRTEM) x 1 - 10 µm (długość, wg TEM / SEM) Czystość węgla: > 90% (wg TGA) Zanieczyszczenie tlenkiem metalu: < 10% (wg TGA) Powierzchnia właściwa: >500  m2/g (wg BET) Wysoka charakterystyka emisji złożonej Przejrzystość
755141		Krótkie dwuścienne izolowane i wiązane nanorurki węglowe w proszku 3.5 nm (średnica, przez HRTEM) x 3 µm (długość, przez TEM / SEM) Czystość węgla : > 90% (przez TGA) Zanieczyszczenie tlenkiem metalu: < 10 % (wg TGA) Charakterystyka chemiczna powierzchni Łatwość dyspergowania
755133		Cienkie wielościenne (avg. 7~9 ścian) nanorurek węglowych w proszku 9.5 nm (średnica, wg TEM) x 1.5 µm (długość, wg TEM) Czystość węgla: > 95 % (wg TGA) Zanieczyszczenie tlenkiem metalu: < 5 % (przez TGA) Wysoki poziom czystości
755125		Cienkie wielościenne (avg.7~9 ścianek) -funkcjonalizowane COOH nanorurki węglowe w proszku funkcjonalizacja COOH: > 8% 9.5 nm (średnica, wg TEM) x 1.5 µm (długość, wg TEM) Czystość węgla: > 95% (wg TGA) Zanieczyszczenie tlenkiem metalu: < 5 % (wg TGA) Wysoki poziom czystości
755117		Krótkie cienkie wielościenne (avg. 7~9 ścian) nanorurki węglowe w proszku 9.5 nm (średnica, wg TEM) x < 1 µm (długość, wg TEM) Czystość węgla: > 95 % (wg TGA) Zanieczyszczenie tlenkiem metalu: < 5 % (wg TGA) Charakterystyka chemiczna powierzchni Łatwość dyspergowania

*Zdjęcia TEM za zgodą na przedruk udzieloną przez Nanocyl SA.

Referencje

1. Iijima S. 1991. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature. 354(6348):56-58. https://doi.org/10.1038/354056a0

2. Peng X, Wong SS. 2009. Functional Covalent Chemistry of Carbon Nanotube Surfaces. Adv. Mater.. 21(6):625-642. https://doi.org/10.1002/adma.200801464

3. Bellucci S. 2005. Carbon nanotubes: physics and applications. phys. stat. sol. (c). 2(1):34-47. https://doi.org/10.1002/pssc.200460105

4. Chae HG, Kumar S. 2006. Rigid-rod polymeric fibers. J. Appl. Polym. Sci.. 100(1):791-802. https://doi.org/10.1002/app.22680

5. MEO M, ROSSI M. 2006. Prediction of Young?s modulus of single wall carbon nanotubes by molecular-mechanics based finite element modelling. Composites Science and Technology. 66(11-12):1597-1605. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.11.015

6. Liu Z, Jiao L, Yao Y, Xian X, Zhang J. 2010. Aligned, Ultralong Single-Walled Carbon Nanotubes: From Synthesis, Sorting, to Electronic Devices. Adv. Mater.. 22(21):2285-2310. https://doi.org/10.1002/adma.200904167

7. Allen B, Kichambare P, Star A. 2007. Carbon Nanotube Field-Effect-Transistor-Based Biosensors. Adv. Mater.. 19(11):1439-1451. https://doi.org/10.1002/adma.200602043

8. Sharma P, Ahuja P. 2008. Recent advances in carbon nanotube-based electronics. Materials Research Bulletin. 43(10):2517-2526. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2007.10.012

9. Prajapati V, Sharma P, Banik A. 2011. Carbon nanotubes and its applications. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 21099-1107.

10. Ogata S, Shibutani Y. Ideal tensile strength and band gap of single-walled carbon nanotubes. Phys. Rev. B. 68(16): https://doi.org/10.1103/physrevb.68.165409

11. Wu H, Chang X, Liu L, Zhao F, Zhao Y. Chemistry of carbon nanotubes in biomedical applications. J. Mater. Chem.. 20(6):1036-1052. https://doi.org/10.1039/b911099m

12. Sitko R, Zawisza B, Malicka E. 2012. Modification of carbon nanotubes for preconcentration, separation and determination of trace-metal ions. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 3722-31. https://doi.org/10.1016/j.trac.2012.03.016

13. Liu K, Wang W, Xu Z, Bai X, Wang E, Yao Y, Zhang J, Liu Z. 2009. Chirality-Dependent Transport Properties of Double-Walled Nanotubes Measured in Situ on Their Field-Effect Transistors. J. Am. Chem. Soc.. 131(1):62-63. https://doi.org/10.1021/ja808593v

14. Piao Y, Chen C, Green AA, Kwon H, Hersam MC, Lee CS, Schatz GC, Wang Y. 2011. Optical and Electrical Properties of Inner Tubes in Outer Wall-Selectively Functionalized Double-Wall Carbon Nanotubes. J. Phys. Chem. Lett.. 2(13):1577-1582. https://doi.org/10.1021/jz200687u

15. Tison Y, Giusca C, Stolojan V, Hayashi Y, Silva S. 2008. The Inner Shell Influence on the Electronic Structure of Double-Walled Carbon Nanotubes. Adv. Mater.. 20(1):189-194. https://doi.org/10.1002/adma.200700399

16. Green AA, Hersam MC. 2011. Properties and Application of Double-Walled Carbon Nanotubes Sorted by Outer-Wall Electronic Type. ACS Nano. 5(2):1459-1467. https://doi.org/10.1021/nn103263b

17. Brozena AH, Moskowitz J, Shao B, Deng S, Liao H, Gaskell KJ, Wang Y. 2010. Outer Wall Selectively Oxidized, Water-Soluble Double-Walled Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc.. 132(11):3932-3938. https://doi.org/10.1021/ja910626u

18. SAYAGO I, SANTOS H, HORRILLO M, ALEIXANDRE M, FERNANDEZ M, TERRADO E, TACCHINI I, AROZ R, MASER W, BENITO A. 2008. Carbon nanotube networks as gas sensors for NO2 detection. Talanta. 77(2):758-764. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2008.07.025

19. Moura LG, Fantini C, Righi A, Zhao C, Shinohara H, Pimenta MA. Dielectric screening in polyynes encapsulated inside double-wall carbon nanotubes. Phys. Rev. B. 83(24): https://doi.org/10.1103/physrevb.83.245427

20. Dillon AC. 2010. Carbon Nanotubes for Photoconversion and Electrical Energy Storage. Chem. Rev.. 110(11):6856-6872. https://doi.org/10.1021/cr9003314