stringtranslate.com

Углеродная нанопена

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]

Синтез

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.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Rode, AV; Hyde, ST; Gamaly, EG; Elliman, RG; McKenzie, DR; Bulcock, S. (1999). «Структурный анализ углеродной пены, образованной высокочастотной лазерной абляцией». Applied Physics A: Materials Science & Processing . 69 (7): S755–S758. Bibcode : 1999ApPhA..69S.755R. doi : 10.1007/s003390051522. S2CID  96050247.
  2. ^ ab Rode, AV; Gamaly, EG; Luther-Davies, B. (2000-02-01). «Формирование кластерно-сборной углеродной нанопены с помощью лазерной абляции с высокой частотой повторения». Applied Physics A . 70 (2): 135–144. Bibcode :2000ApPhA..70..135R. doi :10.1007/s003390050025. hdl : 1885/35128 . ISSN  1432-0630. S2CID  98408906.
  3. ^ Зани, А.; Делласега, Д.; Руссо, В.; Пассони, М. (2013). «Углеродные пены сверхнизкой плотности, полученные методом импульсного лазерного осаждения». Углерод . 56 : 358–365. doi :10.1016/j.carbon.2013.01.029.
  4. ^ ab Blinc, R.; Arčon, D.; Umek, P.; Apih, T.; Milia, F.; Rode, AV (2007). «Углеродная нанопена как потенциальный материал для хранения водорода». Physica Status Solidi B. 244 ( 11): 4308–4310. Bibcode : 2007PSSBR.244.4308B. doi : 10.1002/pssb.200776149. ISSN  1521-3951.
  5. Кеннет Чанг (6 апреля 2004 г.). «Новый хлопьевидный углерод: он легкий как перышко и магнитный». The New York Times .
  6. ^ abc Rode, AV; Gamaly, EG; Christy, AG; Fitz Gerald, JG; Hyde, ST; Elliman, RG; Luther-Davies, B.; Veinger, AI; Androulakis, J.; Giapintzakis, J. (2004-08-17). "Нетрадиционный магнетизм в полностью углеродной нанопене". Physical Review B. 70 ( 5): 054407. arXiv : cond-mat/0310751 . Bibcode : 2004PhRvB..70e4407R. doi : 10.1103/PhysRevB.70.054407. S2CID  4011768.