stringtranslate.com

Неуглеродная нанотрубка

Неуглеродная нанотрубка представляет собой цилиндрическую молекулу , часто состоящую из оксидов металлов или нитридов III группы [1] [2] и морфологически похожую на углеродную нанотрубку . Неуглеродные нанотрубки были обнаружены в природе в некоторых месторождениях полезных ископаемых. [3]

Через несколько лет после того, как Лайнус Полинг упомянул о возможности изогнутых слоев в минералах еще в 1930 году, [4] некоторые минералы, такие как белый асбест (или хризотил) [5] и имоголит [6], на самом деле показали, что имеют трубчатую структуру. Однако первые синтетические неуглеродные нанотрубки появились только после того, как Решеф Тенне и др. сообщили о синтезе нанотрубок, состоящих из дисульфида вольфрама (WS2 ) в 1992 году. [7]

За прошедшие годы нанотрубки были синтезированы из многих неуглеродных материалов, таких как оксид ванадия и оксид марганца , и исследуются для таких применений, как окислительно-восстановительные катализаторы и катодные материалы для батарей.

История и возникновение

Неуглеродные нанотрубки морфологически похожи на углеродные нанотрубки и наблюдаются в некоторых минеральных отложениях природного происхождения. [8] Синтетические структуры этого типа были впервые описаны группой Решефа Тенне в 1992 году. [7]

Материалы

Типичные неуглеродные нанотрубчатые материалы представляют собой двумерные слоистые твердые тела, такие как сульфид вольфрама (IV) (WS 2 ), дисульфид молибдена (MoS 2 ) и сульфид олова (IV) (SnS 2 ). [9] Нанотрубки WS 2 и SnS 2 / сульфид олова (II) (SnS) были синтезированы в макроскопических количествах. [10] [11] Однако традиционная керамика, такая как диоксид титана (TiO 2 ), диоксид циркония [12] (ZrO 2 ) и оксид цинка (ZnO), также образуют неуглеродные нанотрубки. [13] Более современные материалы нанотрубок и нанопроволок представляют собой переходные металлы / халькогены / галогениды (TMCH), описываемые формулой TM 6 C y H z , где TM - переходный металл ( молибден , вольфрам , тантал , ниобий ), C - халькоген ( сера , селен , теллур), H - галоген ( йод ), а состав определяется выражением 8,2<(y+z)<10. Трубки TMCH могут иметь субнанометровый диаметр, длину, настраиваемую от сотен нанометров до десятков микрометров, и демонстрируют превосходную дисперсионную способность благодаря чрезвычайно слабой механической связи между трубками. [14]

В 2007 году китайские ученые объявили о создании в лаборатории медных и висмутовых нанотрубок. [15]

Свойства и возможные области применения

Неуглеродные нанотрубки являются альтернативным материалом для более изученных углеродных нанотрубок, демонстрируя такие преимущества, как легкий синтетический доступ и высокая кристалличность , [16] хорошая однородность и дисперсия , предопределенная электропроводность в зависимости от состава исходного материала и игольчатая морфология, хорошая адгезия к ряду полимеров и высокая ударопрочность. [17] Поэтому они являются перспективными кандидатами в качестве наполнителей для полимерных композитов с улучшенными термическими, механическими и электрическими свойствами. Целевыми применениями для этого типа композитов являются материалы для управления теплом, электростатические рассеиватели, материалы для защиты от износа , фотоэлектрические элементы и т. д. Неуглеродные нанотрубки тяжелее углеродных нанотрубок и не так прочны при растяжении , но они особенно прочны при сжатии, что приводит к потенциальным применениям в ударопрочных приложениях, таких как пуленепробиваемые жилеты . [18] [19]

Механическая прочность целлюлозных волокон может быть увеличена на порядок путем добавления всего лишь 0,1 мас.% нанотрубок TMCH, а измерения электропроводности поликапролактона , легированного нанотрубками TMCH, выявили перколяционное поведение с чрезвычайно низким порогом перколяции . [20] Добавление нанотрубок WS 2 к эпоксидной смоле улучшило адгезию , вязкость разрушения и скорость высвобождения энергии деформации. Износ армированной нанотрубками эпоксидной смолы был в восемь раз ниже, чем у чистой эпоксидной смолы. [21] Нанотрубки WS 2 также были внедрены в матрицу нановолокон поли(метилметакрилата) (ПММА) с помощью электропрядения. Нанотрубки были хорошо диспергированы и выровнены вдоль оси волокна. Повышенная жесткость и прочность сеток волокон ПММА за счет добавления неуглеродных нанотрубок может иметь потенциальное применение в качестве материалов, поглощающих удары. [22]

Оптические свойства гибридов полупроводниковой квантовой точки и неуглеродной нанотрубки показывают эффективную резонансную передачу энергии от квантовой точки к неуглеродным нанотрубкам при фотовозбуждении. Наноустройства на основе одномерных наноматериалов считаются электронными и фотоэлектронными системами следующего поколения, имеющими малый размер, более высокую скорость транспортировки, более высокую эффективность и меньшее потребление энергии. Высокоскоростной фотодетектор для видимого и ближнего инфракрасного света на основе отдельных нанотрубок WS 2 был подготовлен в лаборатории. Неуглеродные нанотрубки являются полыми и могут быть заполнены другим материалом, чтобы сохранить или направить его в желаемое место или создать новые свойства в наполнителе, который ограничен диаметром в нанометровом масштабе. Для этой цели были изготовлены неуглеродные гибриды нанотрубок путем заполнения нанотрубок WS 2 расплавленной солью свинца, сурьмы или йодида висмута с помощью процесса капиллярного смачивания, в результате чего были получены нанотрубки с ядром и оболочкой PbI 2 @WS 2 , SbI 3 @WS 2 или BiI 3 @WS 2 . [23]

Биомедицинские приложения

Нанотрубки дисульфида вольфрама были исследованы в качестве армирующих агентов для улучшения механических свойств биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для применения в инженерии костной ткани. [24] Добавление ~0,02 весовых % нанотрубок дисульфида вольфрама значительно улучшило компрессионные и изгибные механические свойства нанокомпозитов полипропиленфумарата, более высокие, чем у углеродных нанотрубок. Это было связано с повышенной дисперсией нанотрубок дисульфида вольфрама в полимерной матрице, что обеспечивает эффективную передачу нагрузки от матрицы к базовой наноструктуре.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ahmadi A, Beheshtian J, Hadipour NL (2011). «Взаимодействие NH3 с нанотрубкой нитрида алюминия: электростатическое против ковалентного». Physica E: Низкоразмерные системы и наноструктуры . 43 (9): 1717–1719. Bibcode : 2011PhyE...43.1717A. doi : 10.1016/j.physe.2011.05.029.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  2. ^ Beheshtian J, Baei MT, Peyghan AA, Bagheri Z (2012). «Электронный датчик для диоксида сульфида на основе нанотрубок AlN: вычислительное исследование». J Mol Model . 18 (10): 4745–4750. doi :10.1007/s00894-012-1476-2. PMID  22678082. S2CID  36157701.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ Харрис, ПФДж (2002). Углеродные нанотрубки и родственные структуры (1-е изд.). Cambridge University Press. С. 213–32. ISBN 978-0-521-00533-3.
  4. ^ Полинг Л. (1930). "Структура хлоритов". Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 16 (9): 578–82. Bibcode : 1930PNAS...16..578P. doi : 10.1073/pnas.16.9.578 . PMC 526695. PMID  16587609. 
  5. ^ Бейтс и др. (1950). «Трубчатые кристаллы хризотилового асбеста». Science . 111 (2889): 512–513. Bibcode :1950Sci...111..512B. doi :10.1126/science.111.2889.512. PMID  15418177.
  6. ^ Cradwick; et al. (1972). «Имоголит, гидратированный силикат алюминия трубчатой ​​структуры». Nature Physical Science . 240 (104): 187–189. Bibcode :1972NPhS..240..187C. doi :10.1038/physci240187a0.
  7. ^ аб Тенне Р., Маргулис Л., Генут М., Ходес Г. (1992). «Многогранные и цилиндрические структуры дисульфида вольфрама». Природа . 360 (6403): 444–446. Бибкод : 1992Natur.360..444T. дои : 10.1038/360444a0. S2CID  4309310.
  8. ^ Питер Дж. Ф. Харрис; Питер Джон Фредерих Харрис (12 ноября 2001 г.). Углеродные нанотрубки и родственные структуры: новые материалы для двадцать первого века. Cambridge University Press. стр. 213–. ISBN 978-0-521-00533-3. Получено 3 ноября 2011 г.
  9. ^ Р. Тенне (2002). «Фуллереноподобные материалы и нанотрубки из неорганических соединений со слоистой (2-D) структурой». Коллоиды и поверхности A. 208 ( 1–3): 83–92. doi :10.1016/S0927-7757(02)00104-8.
  10. ^ A. Zak; L. Sallacan Ecker; N. Fleischer; R. Tenne (2011). «Масштабный синтез многослойных нанотрубок WS2: обновление». J. Sensors& Transducers . 12 (10): 1–10.
  11. ^ G. Radovsky; R. Popovitz-Biro; M. Staiger; K. Gartsman; C. Thomsen; T. Lorenz; G. Seifert; R. Tenne (2011). "Синтез большого количества нанотрубок SnS 2 и SnS 2 /SnS с упорядоченными сверхструктурами". Angew. Chem. Int. Ed . 50 (51): 12316–12320. doi :10.1002/anie.201104520. PMID  22038979.
  12. ^ Мухаммад, Ибрагим Д.; Аванг, Мохтар. «Обзор геометрических размеров кубических циркониевых нанотрубок». www.academia.edu . Получено 20.02.2016 .
  13. ^ SI Na; SS Kim; WK Hong; JW Park; J. Jo; YC Nah; T. Lee; DY Kim (2008). «Изготовление нанотрубок TiO 2 с использованием электроосажденного шаблона наностержней ZnO и их применение в гибридных солнечных элементах». Electrochimica Acta . 53 (5): 2560–2566. doi :10.1016/j.electacta.2007.10.041.
  14. ^ A. Kis; D. Mihailovic; M. Remskar; A. Mrzel; A. Jesih; I. Piwonski; AJ Kulik; W. Benoit; L. Forro (2003). "Модули сдвига и Юнга канатов из нанотрубок MoS2". Advanced Materials . 15 (9): 733–736. Bibcode :2003AdM....15..733K. doi :10.1002/adma.200304549. S2CID  136420653.
  15. ^ Ян, Дачи; Мэн, Гуовэнь; Чжан, Шуюань; Хао, Юфэн; Ань, Сяохун; Вэй, Цин; Да, Мин; Чжан, Лиде (2007). «Электрохимический синтез гетеропереходов металлические и полуметаллические нанотрубки – нанопроволоки и их электронные транспортные свойства». хим. Коммун. (17): 1733–1735. дои : 10.1039/B614147A. PMID  17457424. S2CID  2534957.
  16. ^ M. Krause; A. Mucklich; A. Zak; G. Seifert; S. Gemming (2011). «Исследование нанотрубок WS2 с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения». Physica Status Solidi B . 248 (11): 2716–2719. Bibcode :2011PSSBR.248.2716K. doi : 10.1002/pssb.201100076 . S2CID  121701880.
  17. ^ YQ Zhu; HW Kroto (2003). «Ударно-волновая стойкость нанотрубок WS 2 ». J. Am. Chem. Soc . 125 (5): 1329–1333. doi :10.1021/ja021208i. PMID  12553835.
  18. ^ ApNano Materials объявляет о крупном прорыве в промышленном производстве нанотрубок для бронежилетов. Нанотехнологии сейчас
  19. ^ "Неорганический зверинец. Необычные свойства нанотрубок, изготовленных из неорганических материалов, предлагают интригующие возможности для применения". Chemical and Engineering News . 83 (35): 30–33. Август 2005. doi :10.1021/cen-v083n040.p030.
  20. ^ SJ Chin; P. Hornsby; D. Vengust; D. Mihailović; J. Mitra; P. Dawson; T. McNally (2011). «Композиты поли(ε-капролактона) и нанопроволок Mo 6 S 3 I 6 ». Полимеры для передовых технологий . 23 (2): 149–160. doi :10.1002/pat.1838.
  21. ^ E. Zohar; S. Baruch; M. Shneider; H. Dodiu; S. Kenig; DH Wagner; A. Zak; A. Moshkovith; L. Rapoport; R. Tenne (2011). «Механические и трибологические свойства эпоксидных нанокомпозитов с нанотрубками WS2». Sensors & Transducers Journal . 12 (Специальный выпуск): 53–65.
  22. ^ CS Reddy; A. Zak; E. Zussman (2011). «WS 2 нанотрубки, встроенные в нановолокна ПММА как материал, поглощающий энергию». J. Mater. Chem . 21 (40): 16086–16093. doi :10.1039/C1JM12700D.
  23. ^ R. Kreizman; AN Enyashin; FL Deepak; A. Albu-Yaron; R. Popovitz-Biro; G. Seifert; R. Tenne (2010). "Синтез неорганических нанотрубок типа ядро-оболочка". Adv. Funct. Mater . 20 (15): 2459–2468. doi :10.1002/adfm.201000490. S2CID  136725896.
  24. ^ Lalwani G, Henslee AM, Farshid B, Parmar P, Lin L, Qin YX, Kasper FK, Mikos AG, Sitharaman B (2013). «Нанотрубки дисульфида вольфрама армировали биоразлагаемые полимеры для инженерии костной ткани». Acta Biomater . 9 (9): 8365–73. doi :10.1016/j.actbio.2013.05.018. PMC 3732565 . PMID  23727293. 

Внешние ссылки