Les nanotubes de carbone sont devenus partie intégrante de la technologie moderne. Cela a été servi par leurs propriétés mécaniques et électroniques, ainsi que par les tailles nanométriques. Ce matériau est utilisé dans de nombreux domaines: des batteries aux écrans. La qualité des nanotubes, dans une large mesure, dépend de l'indice de chiralité (lorsqu'il n'y a pas de symétrie entre les côtés droit et gauche). Plus cet indicateur est bas, meilleur sera le nanotube. Il existe déjà plusieurs options pour créer des nanotubes, et elles fonctionnent toutes. Mais cela ne signifie pas que certains passionnés n'essaieront pas de trouver leur nouvelle voie, qui sera meilleure que leurs prédécesseurs. C'est ce qui sera discuté dans l'étude, dans laquelle nous traiterons avec vous. Allons-y.
Contexte
Pour commencer, rappelez-vous brièvement qu'il existe un nanotube de carbone. Cela peut simplement être compris par le nom de ce matériau. Il s'agit tout d'abord d'une structure cylindrique (tube) de plans en graphite, dont les dimensions peuvent être de l'ordre de plusieurs nanomètres. Il existe deux principaux types de nanotubes: à paroi simple et à parois multiples (image ci-dessous).
Dans l'étude d'aujourd'hui, nous parlerons de simple paroi. Afin de comparer la nouvelle méthode de création de nanotubes, les chercheurs citent plusieurs méthodes existantes comme exemple pouvant atteindre une distribution de chiralité faible, ce qui est extrêmement important pour les nanotubes. La première méthode - le traitement post-synthétique - est le plus souvent basée sur de telles techniques:
- chromatographie d'échange d'ions * (IEX) de nanotubes à simple paroi torsadés en ADN;
- centrifugation à gradient de densité * (DGU);
- chromatographie d'exclusion stérique * ;
- séparation d'eau en deux phases * .
Chromatographie d'échange d'ions * - une méthode pour la séparation des ions et des molécules polaires basée sur les charges des molécules séparées.
Centrifugation du gradient de densité * - séparation des macromolécules en fonction de leur distribution dans différentes parties du gradient de densité.
Chromatographie d'exclusion de taille * - séparation des molécules par taille en raison de leur excellente capacité à pénétrer dans les pores d'une phase solide (ou liquide) liée sur un support inerte.
Séparation d'eau en deux phases * - répartition des particules entre les phases d'un système d'eau en deux phases.
Toutes les techniques ci-dessus sont en quelque sorte liées à la dissolution de quelque chose dans quelque chose. Les chercheurs pensent que c'est un gros problème, car l'échantillon peut être contaminé pendant la dissolution. Et cela affectera négativement la qualité du nanotube, et ses propriétés.
La deuxième méthode est la croissance directe de nanotubes à simple paroi. Ce qui, selon les scientifiques, est dépourvu du problème de pollution ci-dessus. Les nanotubes en croissance utilisent leurs segments individuels, des implants moléculaires de carbone et des catalyseurs. Le principal inconvénient de la croissance est la complexité de ce processus et un petit résultat.
Il existe une autre façon de créer des nanotubes, qui, à première vue, est exempte d'inconvénients, est le dépôt chimique en phase vapeur avec un catalyseur flottant (FC-CVD). Les nanotubes peuvent être produits de cette manière rapidement et en gros volumes, et leurs propriétés ne seront pas affectées par des changements négatifs. De plus, les nanotubes peuvent être assemblés sur un filtre à membrane pour former des films minces prêts à l'emploi. Tout cela semble très rose, mais là réside un moment délicat. Étant en milieu aérosol, les catalyseurs peuvent provoquer des difficultés dans le processus de croissance sélective de nanotubes à faible chiralité. Ce problème peut être résolu en introduisant une petite quantité de NH
3 , ce qui peut réduire la distribution chirale. Cependant, les atomes de N peuvent contaminer les nanotubes à des températures élevées, modifiant ainsi ses propriétés électroniques.
De quelle manière ne le considérez pas, il y aura toujours une sorte de désavantage désagréable à prendre en compte. Cependant, les chercheurs ont proposé une option lorsque vous pouvez éviter les problèmes ci-dessus.
Création d'échantillon et résultats
Les scientifiques ont décidé de ne pas trouver une nouvelle façon de créer des nanotubes, mais d'améliorer celui existant, à savoir le dépôt chimique en phase vapeur avec un catalyseur flottant. La méthode d'amélioration s'est avérée assez simple - en ajoutant une petite quantité de CO
2 .
Et maintenant en ordre. Des nanotubes à simple paroi ont été synthétisés à partir de CO (source de carbone) à un débit volumétrique de 350 cm
3 / min. Le ferrocène ((η
5 -C
5 H
5 )
2 Fe) a agi comme catalyseur, porté par un courant de CO à 50 cm
3 / min.
Le processus de croissance des nanotubes a été ajusté en introduisant divers volumes de CO
2 dans le réacteur avec un débit volumique de 0, 1, 1,5 et 2,0 cm
3 / min, ce qui correspond à de telles fractions volumiques: 0, 0,25, 0,37 et 0,50% en volume. La température était de 850 ou 880 ° C.
Schéma de fonctionnement du réacteurL'introduction d'un volume différent de CO
2 a conduit au fait que les films issus de nanotubes ont été obtenus dans différentes couleurs. Ceci est clairement visible dans l'image ci-dessous. Ces films ont été obtenus à une température de 850 ° C.
Après avoir effectué une microscopie électronique à transmission et une spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie, les scientifiques ont découvert que la différence de couleur n'affecte en rien les performances globales des nanoparticules et leur taille. Il a également été révélé que les échantillons ont une grande pureté.
Microscopie électronique à transmission (a, b, c) et microscopie à fond noir (d, e, f) de trois échantillons avec différentes fractions volumiques de CO 2 .Le diamètre moyen des nanotubes dépend également directement de la concentration de CO
2 . Ainsi, pour 0, 0,25, 0,37 et 0,50% en volume, le diamètre moyen était respectivement de 1,1, 1,3, 1,8 et 1,9 nm.
Du fait que la couleur du film et le diamètre des nanotubes reflètent la concentration de CO
2 , il est logique de supposer que cette impureté modifie d'une manière ou d'une autre les propriétés des nanotubes eux-mêmes.
Dans l'échantillon vert (0,25 vol.%), Des changements brusques assez prononcés du coefficient d'absorption sont observés à une longueur d'onde d'environ 610 nm, et dans l'échantillon brun (0,37 vol.%) - à 760 nm.
Spectre d'absorption d'échantillons avec différentes fractions volumiques de CO 2 .Mais d'autres images (0 et 0,5 vol.%), Dans lesquelles de tels sauts n'ont pas été observés, n'ont pas une couleur vive, mais restent grises.
Pour approfondir la dépendance de la distribution de chiralité (n, m) de la concentration de CO
2 , une analyse de diffraction électronique de l'échantillon a été réalisée.
Analyse de diffraction d'électronsL'image ci-dessus (
a ) est une image typique d'un nanotube à paroi simple, et l'image
b est l'image de diffraction électronique (EDP) de ce nanotube. Après avoir analysé l'espacement des lignes, l'indice de chiralité a été établi - (16.13).
Analyse de diffraction électronique de l'échantillon 0 et 0,25% vol.La même analyse d'échantillons de travail (images ci-dessus) a montré des résultats significativement meilleurs: (8.7) et (11, 9).
Avec l'augmentation de la concentration de CO
2, le diamètre des nanotubes augmente également. Avec une fraction volumique de CO
2 de 0,25% en volume, le diamètre est de 1,0 à 1,5 nm. Cet indicateur est directement lié au taux d'absorption de l'échantillon.
Il s'avère qu'avec le diamètre optimal du nanotube et un assez bon indicateur de la distribution de la chiralité, l'échantillon a une couleur verte. Sinon, nous observons une couleur grise. Cette remarque doit être corrélée à la concentration de CO
2 , c'est-à-dire que son% en volume optimal est de 0,25.
Un autre indicateur de la structure d'un nanotube est l'angle de chiralité (l'angle entre la direction de pliage et la direction dans laquelle les hexagones adjacents ont un côté commun).
Pour obtenir le tube, c'est-à-dire pour tordre le plan du graphite, vous devez couper ce dernier en lignes pointillées et rouler le long du vecteur R.Tous les échantillons considérés (0, 0,25 et 0,50) ont montré un angle de chiralité complètement satisfaisant de 20 ° à 30 °.
Une analyse par diffraction d'électrons a également été effectuée pour vérifier les propriétés électroniques du faisceau de nanotubes. Il s'est avéré que tous les tubes du faisceau avaient des angles de chiralité différents: 3,1 °, 18,9 °, 26,1 °.
Analyse par diffraction électronique d'un faisceau de nanotubes.Un fait intéressant a également été découvert: avec une augmentation de la concentration de CO
2 de 0 à 0,50, le pourcentage de nanotubes métalliques (c'est-à-dire la conductivité électrique) est passé de 29,8 à 46,3%. Cependant, lorsque la concentration a atteint 1,23% en volume, la qualité des nanotubes a considérablement diminué.
La température joue un rôle tout aussi important dans le processus de création de nanotubes. À des températures plus élevées, il est possible de réduire le taux de décomposition du CO (la base des nanotubes dans cette étude). Cela permettra de mieux contrôler le processus de synthèse avec une distribution chirale plus faible.
Variations de la chiralité de (a) et du diamètre (b) des nanotubes à 0,25% vol. CO 2 et à une température de 880 ° C.En comparant ces indicateurs avec d'autres similaires, mais à une température de 850 ° C, on peut voir que la chiralité était beaucoup plus faible, concentrée autour de (11,9). Et le diamètre de la plupart des tubes (plus de 98%) varie dans la plage de 1,2 à 1,5 nm, ce qui est un excellent résultat pour cette étude.
Un rapport des scientifiques sur leurs recherches est disponible
ici . Et du matériel supplémentaire (graphiques, images, tableaux, etc.) est
ici .
Épilogue
Les scientifiques disent honnêtement qu'il reste beaucoup à vérifier. Pour certains indicateurs, tels que la conductivité électrique et le diamètre, les échantillons sans CO
2 et avec CO
2 ne
sont pas si impressionnants qu'ils sont sûrs à 100% d'une victoire inconditionnelle. Cependant, l'importance d'utiliser le CO
2 dans le processus de création de nanotubes de carbone à simple paroi est clairement indéniable. Cette technique nécessite un complément d'étude et de perfectionnement.
Entre autres choses, les scientifiques ont réussi à créer des nanotubes, dont les films diffèrent en couleur en raison de différences de propriétés. Une concentration différente de CO
2 modifie le diamètre des nanotubes et les indices de chiralité, ce qui peut entraîner plusieurs options de couleur pour les films: vert, marron et gris. La variété de couleurs de ces matériaux ouvre de nouvelles voies d'application, mais des changements se produiront également dans les matériaux existants.
Cette étude est un exemple frappant d'une approche extraordinaire et innovante pour résoudre le «vieux» problème et une démonstration de la vérité bien connue «tout ingénieux est simple».
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