Buckypaper — это тонкий лист, изготовленный из совокупности углеродных нанотрубок [1] или сетчатой бумаги из углеродных нанотрубок. Нанотрубки примерно в 50 000 раз тоньше человеческого волоса. Первоначально он был изготовлен как способ обработки углеродных нанотрубок, но также изучается и разрабатывается в приложениях несколькими исследовательскими группами, показывая перспективность в качестве брони для транспортных средств , личной брони и электроники и дисплеев следующего поколения .
Фон
Buckypaper — это макроскопический агрегат углеродных нанотрубок (CNT), или «buckytubes». Свое название он получил от buckminsterfullerene , фуллерена с атомом углерода 60 ( аллотроп углерода с похожей связью, который иногда называют «Buckyball» в честь Р. Бакминстера Фуллера ). [1]
Синтез
Общепринятые методы изготовления пленок CNT включают использование поверхностно-активных веществ , таких как Triton X-100 [2] и лаурилсульфат натрия , [3] , что улучшает их диспергируемость в водном растворе. Затем эти суспензии можно фильтровать через мембрану при положительном или отрицательном давлении для получения однородных пленок. [4] Взаимодействие сил Ван-дер-Ваальса между поверхностью нанотрубки и поверхностно-активным веществом часто может быть механически прочным и довольно стабильным, и поэтому нет никаких гарантий, что все поверхностно-активное вещество будет удалено из пленки CNT после формирования. Было обнаружено, что промывка метанолом, эффективным растворителем для удаления Triton X, вызывает растрескивание и деформацию пленки. Также было обнаружено, что Triton X может привести к лизису клеток и, в свою очередь, воспалительным реакциям тканей даже при низких концентрациях. [5]
Чтобы избежать неблагоприятных побочных эффектов от возможного присутствия поверхностно-активных веществ, можно использовать альтернативный процесс литья, включающий метод сжатия фритты , который не требует использования поверхностно-активных веществ или модификации поверхности. [6] Размеры можно контролировать с помощью размера корпуса шприца и с помощью массы добавленных углеродных нанотрубок. Их толщина, как правило, намного больше, чем у buckypaper, отлитой с помощью поверхностно-активного вещества, и была синтезирована от 120 мкм до 650 мкм; в то время как не существует системы номенклатуры, регулирующей толщину образцов, которые можно классифицировать как бумагу, образцы толщиной более 500 мкм называются buckydiscs. Метод сжатия фритты позволяет быстро отливать buckypaper и buckydiscs с восстановлением растворителя для литья и контролем над 2D и 3D геометрией.
Выровненный рост многослойных углеродных нанотрубок (MWNT) использовался в синтезе пленки CNT с помощью эффекта домино . [7] В этом процессе «леса» MWNT выталкиваются в одном направлении, сжимая их вертикальную ориентацию в горизонтальную плоскость, что приводит к образованию высокочистой бумаги buckypaper без необходимости дальнейшей очистки или обработки. Для сравнения, когда образец buckypaper был сформирован из 1-тонного сжатия порошка MWNT, полученного методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), любое применение растворителя приводило к немедленному набуханию пленки до тех пор, пока она не превращалась в твердые частицы. Похоже, что для используемого порошка CNT одного сжатия было недостаточно для создания прочной бумаги buckypaper, и подчеркивается, что методология выровненного роста генерирует in situ взаимодействия трубка-трубка, которые не обнаруживаются в порошке CVD CNT и сохраняются вплоть до формирования buckypaper с помощью домино.
Недавно [8] был разработан новый масштабируемый метод изготовления пленки CNT: метод поверхностно-инженерного литья ленты (SETC). Метод SETC решает главную проблему литья ленты, которая заключается в отделении высушенной и обычно липкой пленки CNT от поддерживающей подложки. Для получения идеально отделенной пленки поддерживающая подложка должна быть спроектирована с морфологией микропирамидальной структуры пор. SETC производит пленки большой площади из любых коммерчески доступных углеродных нанотрубок с настраиваемой длиной, толщиной, плотностью и составом.
Характеристики
Сравнительное испытание на огнестойкость самолетов, изготовленных из целлюлозы , углеродной бумаги-буки и бумаги-буки из неорганического нитрида бора с нанотрубками. [9]
Buckypaper весит в десять раз меньше стали, но потенциально в 500 раз прочнее, чем сталь, если ее листы сложить в композит. [1] Она может рассеивать тепло, как латунь или сталь, и может проводить электричество, как медь или кремний. [1]
Приложения
Среди возможных вариантов использования клейкой бумаги, которые изучаются в настоящее время:
Противопожарная защита: покрытие материала тонким слоем клейкой бумаги значительно повышает его огнестойкость за счет эффективного отражения тепла плотным, компактным слоем углеродных нанотрубок или углеродных волокон. [10]
При воздействии электрического заряда buckypaper может использоваться для освещения экранов компьютеров и телевизоров. Она может быть более энергоэффективной, легкой и обеспечивать более равномерный уровень яркости, чем современные технологии электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и жидкокристаллических дисплеев (ЖКД).
Поскольку отдельные углеродные нанотрубки являются одним из наиболее теплопроводных известных материалов, buckypaper подходит для разработки радиаторов, которые позволят компьютерам и другому электронному оборудованию рассеивать тепло более эффективно, чем это возможно в настоящее время. Это, в свою очередь, может привести к еще большему прогрессу в электронной миниатюризации.
Пленки также могли бы защитить электронные схемы и устройства в самолетах от электромагнитных помех, которые могут повредить оборудование и изменить настройки. Аналогично, такие пленки могли бы позволить военным самолетам экранировать свои электромагнитные «сигнатуры», которые можно обнаружить с помощью радара.
Buckypaper может действовать как фильтрующая мембрана для улавливания микрочастиц в воздухе или жидкости. Поскольку нанотрубки в buckypaper нерастворимы и могут быть функционализированы различными функциональными группами, они могут избирательно удалять соединения или могут действовать как датчик.
Композиты на основе хлопковой бумаги, производимые в достаточно больших количествах и по экономически выгодной цене, могли бы служить эффективным бронепокрытием.
Buckypaper можно использовать для выращивания биологической ткани, например, нервных клеток. Buckypaper можно электрифицировать или функционализировать для стимулирования роста определенных типов клеток.
Коэффициент Пуассона для углеродных нанотрубок из бумаги-буки можно контролировать, и они демонстрируют ауксетическое поведение, что позволяет использовать их в качестве искусственных мышц.
^ abcd Kaczor, Bill (2008-10-17). "Будущие самолеты и автомобили могут быть сделаны из 'buckypaper'". USA Today . Получено 2008-10-18 .
^ в гет Панхуис М, Сальвадор-Моралес С, Франклин Э, Чемберс Г, Фонсека А, Надь Дж. Б. (2003). «Характеристика взаимодействия между функционализированными углеродными нанотрубками и ферментом». Журнал нанонауки и нанотехнологии . 3 (3): 209–13. doi :10.1166/jnn.2003.187. PMID 14503402.
^ Sun J, Gao L (2003). «Разработка процесса дисперсии углеродных нанотрубок в керамической матрице путем гетерокоагуляции». Carbon . 41 (5): 1063–1068. Bibcode :2003Carbo..41.1063S. doi :10.1016/S0008-6223(02)00441-4.
^ Vohrer U, Kolaric I, Haque MH, Roth S, Detlaff-Weglikowska U (2004). «Листы углеродных нанотрубок для использования в качестве искусственных мышц». Carbon . 42 (5–6): 1159–1164. Bibcode :2004Carbo..42.1159V. doi :10.1016/j.carbon.2003.12.044.
^ Whitby R, Fukuda T, Maekawa T, James SL, Mikhalovsky SV (2008). «Геометрический контроль и настраиваемое распределение размеров пор buckypaper и buckydiscs». Carbon . 46 (6): 949–956. Bibcode :2008Carbo..46..949W. doi :10.1016/j.carbon.2008.02.028.
^ Ван Д, Сонг ПЦ, Лю Ч, У В, Фань СС (2008). «Высокоориентированная бумага из углеродных нанотрубок, изготовленная из выровненных углеродных нанотрубок». Нанотехнология . 19 (7): 075609. Bibcode : 2008Nanot..19g5609W. doi : 10.1088/0957-4484/19/7/075609. PMID 21817646. S2CID 2529608.
^ Susantyoko, Rahmat Agung; Karam, Zainab; Alkhoori, Sara; Mustafa, Ibrahim; Wu, Chieh-Han; Almheiri, Saif (2017). «Технология изготовления ленточных изделий с использованием поверхностной инженерии для коммерциализации листов свободных углеродных нанотрубок». Journal of Materials Chemistry A. 5 ( 36): 19255–19266. doi :10.1039/c7ta04999d. ISSN 2050-7488.
^ Чжао, Чжунфу; Гоу, Ян (2009). «Улучшенная огнестойкость термореактивных композитов, модифицированных углеродными нановолокнами». Наука и технология передовых материалов . 10 (1): 015005. Bibcode : 2009STAdM..10a5005Z. doi : 10.1088/1468-6996/10/1/015005. PMC 5109595. PMID 27877268 .
^ Susantyoko, Rahmat Agung; Parveen, Fathima; Mustafa, Ibrahim; Almheiri, Saif (2018-05-16). «MWCNT/активированный углерод отдельно стоящие листы: другой подход к изготовлению гибких электродов для суперконденсаторов». Ionics . 25 : 265–273. doi :10.1007/s11581-018-2585-4. ISSN 0947-7047. S2CID 104278214.
^ Susantyoko, Rahmat Agung; Karam, Zainab; Alkhoori, Sara; Mustafa, Ibrahim; Wu, Chieh-Han; Almheiri, Saif (2017). «Технология изготовления ленточных изделий с использованием поверхностной инженерии для коммерциализации листов свободных углеродных нанотрубок». Journal of Materials Chemistry A. 5 ( 36): 19255–19266. doi :10.1039/c7ta04999d. ISSN 2050-7488.
^ Karam, Zainab; Susantyoko, Rahmat Agung; Alhammadi, Ayoob; Mustafa, Ibrahim; Wu, Chieh-Han; Almheiri, Saif (2018-02-26). "Разработка метода поверхностного литья ленты для изготовления свободностоящих листов углеродных нанотрубок, содержащих наночастицы Fe 2 O 3 для гибких батарей". Advanced Engineering Materials . 20 (6): 1701019. doi :10.1002/adem.201701019. ISSN 1438-1656. S2CID 139283096.
