Углеродные наноконусы представляют собой конические структуры, которые в основном состоят из углерода и имеют по крайней мере одно измерение порядка одного микрометра или меньше. Наноконусы имеют высоту и диаметр основания того же порядка величины; это отличает их от нанопроволок с наконечниками , которые намного длиннее своего диаметра. Наноконусы встречаются на поверхности природного графита . Полые углеродные наноконусы также могут быть получены путем разложения углеводородов с помощью плазменной горелки. Электронная микроскопия показывает, что угол раскрытия ( вершина ) конусов не является произвольным, а имеет предпочтительные значения приблизительно 19°, 39°, 60°, 85° и 113°. Это наблюдение было объяснено моделью стенки конуса, состоящей из обернутых листов графена , где геометрическое требование бесшовного соединения естественным образом учитывает полудискретный характер и абсолютные значения угла конуса. Родственная углеродная наноформа представляет собой однослойный углеродный нанорог , который обычно образует агрегаты размером 80–100 нм.
Углеродные наноконусы производятся в промышленном процессе, который разлагает углеводороды на углерод и водород с помощью плазменной горелки с температурой плазмы выше 2000 °C. Этот метод часто называют процессом Kvaerner Carbon Black & Hydrogen Process (CBH), и он относительно «безэмиссионный», т. е. производит довольно небольшое количество загрязняющих воздух веществ . При определенных хорошо оптимизированных и запатентованных условиях [2] твердый углеродный выход состоит примерно из 20% углеродных наноконусов, 70% плоских углеродных дисков и 10% углеродной сажи . [1]
Плазменное разложение углеводородов давно известно и применяется, например, для производства углеродных фуллеренов . Даже если оно не оптимизировано, оно дает небольшие количества углеродных наноконусов, которые были непосредственно обнаружены с помощью электронного микроскопа еще в 1994 году [3] , а их атомная структура была теоретически смоделирована в том же году. [4] [5]
Открытый углеродный конус можно смоделировать как обернутый лист графена . Чтобы получить свободную от напряжений бесшовную обертку, из листа необходимо вырезать сектор. Этот сектор должен иметь угол n × 60°, где n = 1, ..., 5. Следовательно, результирующий угол конуса должен иметь только определенные дискретные значения α = 2 arcsin(1 − n /6) = 112,9°, 83,6°, 60,0°, 38,9° и 19,2° для n = 1, ..., 5 соответственно. Лист графена состоит исключительно из углеродных шестиугольников , которые не могут образовывать непрерывную конусную шапку. Как и в фуллеренах, для формирования изогнутого кончика конуса необходимо добавить пятиугольники , и их количество соответственно равно n = 1, ..., 5. [1]
Наблюдения с помощью электронной микроскопии подтверждают модельное предсказание дискретных углов конуса, хотя необходимо учитывать два экспериментальных артефакта: зарядка плохо проводящих углеродных образцов под электронным пучком, что размывает изображения, и то, что наблюдения с помощью электронной микроскопии при фиксированном наклоне образца дают только двумерную проекцию, тогда как требуется трехмерная форма. Первое препятствие преодолевается путем покрытия конусов металлическим слоем толщиной в несколько нанометров. Вторая проблема решается с помощью геометрического анализа формы . В сочетании со значительной статистикой по количеству конусов это дает полудискретные углы при вершине. Их значения отклоняются от предсказания примерно на 10% из-за ограниченной точности измерений и небольшого изменения толщины конуса по его длине. [1]
Толщина стенки конуса варьируется от 10 до 30 нм, но может достигать 80 нм для некоторых наноконусов. Чтобы выяснить структуру стенок конуса, были записаны картины дифракции электронов при различных ориентациях конуса. Их анализ показывает, что стенки содержат 10–30% упорядоченного материала, покрытого аморфным углеродом. Высокоразрешающая электронная микроскопия показывает, что упорядоченная фаза состоит из почти параллельных слоев графена. [6] Аморфная фракция может быть преобразована в хорошо упорядоченный графит путем отжига конусов при температурах около 2700 °C. [1]
Замечательной особенностью открытых углеродных наноконусов, полученных с помощью процесса CBH, является их почти идеальная форма с прямыми стенками и круглыми основаниями. Также наблюдаются неидеальные конусы, но это исключения. Одним из таких отклонений был «двойной» конус, который выглядел так, как будто конус начал расти от своего кончика с определенным углом при вершине (например, 84°), но затем резко изменил угол при вершине (например, до 39°) в одной точке на своей поверхности, тем самым вызывая разрыв в наблюдаемом поперечном сечении конуса. Другой аномалией был конус с вершиной, вытянутой из точки в отрезок линии, как в расширенном кофейном фильтре (плоская форма показана на рисунке). [1]
Углеродные конусы также наблюдались с 1968 года или даже раньше [8] на поверхности естественного графита. Их основания прикреплены к графиту, а их высота варьируется от менее 1 до 40 микрометров. Их стенки часто изогнуты и менее регулярны, чем у лабораторных наноконусов. Распределение их угла при вершине также показывает сильную особенность при 60°, но другие ожидаемые пики при 20° и 40° намного слабее, и распределение несколько шире для больших углов. Это различие объясняется различной структурой стенок естественных конусов. Эти стенки относительно нерегулярны и содержат многочисленные линейные дефекты ( дисклинации положительного клина ). Это нарушает угловое требование для бесшовного конуса и, следовательно, расширяет угловое распределение. [7]
Углеродные наноконусы использовались для колпачков сверхтонких золотых игл. Такие иглы широко используются в сканирующей зондовой микроскопии благодаря своей высокой химической стабильности и электропроводности, но их кончики подвержены механическому износу из-за высокой пластичности золота. Добавление тонкого углеродного колпачка механически стабилизирует кончик, не жертвуя его другими свойствами. [9]
