Углеродная нанопена — это аллотроп углерода, открытый в 1997 году Андреем В. Роде и его коллегами в Австралийском национальном университете в Канберре . [1] Он состоит из кластерной сборки атомов углерода, соединенных в рыхлую трехмерную сеть. Фракталоподобная структура связей состоит из sp 2 графитоподобных кластеров, соединенных sp 3 связями. Связи sp 3 расположены в основном на поверхности структуры и составляют от 15% до 45% материала, что делает его каркас похожим на алмазоподобные углеродные пленки. [2] Материал необычайно легкий, с плотностью 2-10 x 10 −3 г/см 3 (0,0012 фунт/фут 3 ) и похож на аэрогель . [1] [3] Другие замечательные физические свойства включают большую площадь поверхности 300–400 м 2 /г (аналогично цеолитам ). [4] 1 галлон США (3,8 л; 0,83 имп галлона) нанопены весит около 0,25 унции (7,1 г). [5]
Каждый кластер имеет ширину около 6 нанометров и состоит из около 4000 атомов углерода , связанных в графитоподобные листы, которым придается отрицательная кривизна за счет включения семиугольников среди правильного шестиугольного узора. Это противоположно тому, что происходит в случае бакминстерфуллеренов , в которых углеродные листы получают положительную кривизну за счет включения пятиугольников .
Крупномасштабная структура углеродной нанопены похожа на структуру аэрогеля , но с плотностью 1% от ранее произведенных углеродных аэрогелей — или всего в несколько раз больше плотности воздуха на уровне моря . В отличие от углеродных аэрогелей , углеродная нанопена является плохим проводником электричества . Нанопена содержит многочисленные неспаренные электроны , что, как предполагают Роде и коллеги, обусловлено атомами углерода, имеющими всего три связи, которые находятся в топологических и связующих дефектах. Это приводит к тому, что, возможно, является самой необычной особенностью углеродной нанопены: она притягивается магнитами, и ниже -183 °C сама может стать магнитной.
Углеродная нанопена — единственная форма чистого углерода, которая, как известно, является ферромагнитной , что необычно для аллотропа углерода. [6] Ферромагнетизм — это внутреннее свойство, наблюдаемое в углеродной нанопене, и может быть объяснено ее сложной структурой. Примеси в материале исключаются как источник магнетизма, поскольку их недостаточно для наблюдаемой сильной намагниченности. Исследователи постулируют, что внедренные атомы углерода с неспаренными электронами несут достаточно магнитного момента , чтобы привести к сильной намагниченности. [6] Кривизна листа локализует неспаренные электроны, разрывая π-электронные облака, и стерически защищает электроны, которые обычно были бы слишком реактивными, чтобы сохраняться. Ферромагнетизм углеродной нанопены чувствителен ко времени и температуре. Часть магнетизма теряется в течение первых нескольких часов синтеза, однако большая его часть остается постоянной. [6] Углеродная нанопена может иметь некоторое применение в спинтронных устройствах, которые используют спин электронов как дополнительную степень свободы .
Углеродная нанопена может быть пригодна для хранения водорода из-за ее низкой плотности и большой площади поверхности. Предварительные эксперименты показали, что водород может храниться в нанопене при комнатной температуре в обратимом процессе. [4]
Кластеры углеродной нанопены могут быть синтезированы посредством лазерной абляции с высокой частотой повторения в инертных газах, таких как аргон . Короткие ( фс ), низкоэнергетические (мкДж) импульсы, подаваемые с высокой частотой повторения (10 кГц - 100 МГц), генерируют пары углерода для осаждения. [2] Окружающий газ нагревается от комнатной температуры с помощью распыленного углерода, что приводит к увеличению парциальной плотности углерода в камере. В оптимальных условиях инертный газ не охлаждается, а сохраняет свою высокую температуру между циклами формирования. Последующие циклы в камере проводятся при температурах выше пороговой температуры формирования, инициирующей sp 2 -связь. Увеличение плотности и температуры способствует благоприятным условиям для формирования углеродистых кластеров. Скорость потребления превышает скорость испарения при лазерной абляции, и, таким образом, формирование находится в неравновесном состоянии.