Cara baru untuk membuat nanotube: sekarang dalam warna

Karbon nanotube telah menjadi bagian integral dari teknologi modern. Ini dilayani oleh sifat mekanik dan elektronik mereka, serta ukuran nanometer. Bahan ini digunakan di banyak bidang: dari baterai ke layar. Kualitas nanotube, sebagian besar, tergantung pada indeks kiralitas (ketika tidak ada simetri antara sisi kanan dan kiri). Semakin rendah indikator ini, semakin baik nanotube. Sudah ada beberapa opsi untuk membuat nanotube, dan semuanya berfungsi. Tetapi ini tidak berarti bahwa beberapa penggemar tidak akan mencoba untuk menemukan cara baru mereka, yang akan lebih baik daripada para pendahulu mereka. Inilah yang akan dibahas dalam penelitian, di mana kami akan berurusan dengan Anda. Ayo pergi.

Latar belakang

Untuk mulai dengan, secara singkat, ingat bahwa ada nanotube karbon. Ini hanya bisa dipahami dengan nama bahan ini. Pertama, ini adalah struktur silinder (tabung) dari bidang grafit, yang dimensinya dapat mencapai beberapa nanometer. Ada dua jenis utama nanotube: berdinding tunggal dan berdinding ganda (gambar di bawah).



Dalam pelajaran hari ini, kita akan berbicara tentang berdinding tunggal. Agar metode baru untuk membuat nanotube dibandingkan, para peneliti mengutip beberapa metode yang ada sebagai contoh yang dapat mencapai distribusi chirality rendah, yang sangat penting untuk nanotube. Metode pertama - pemrosesan pasca-sintetis - paling sering didasarkan pada teknik-teknik tersebut:

• kromatografi penukar ion * (IEX) dari nanotube berdinding tunggal yang diputar sebagai DNA;
• centrifugation kepadatan gradien * (DGU);
• kromatografi pengecualian ukuran * ;
• pemisahan air dua fase * .

Kromatografi penukar ion * - metode untuk pemisahan ion dan molekul polar berdasarkan muatan molekul yang dipisahkan.

Density Gradient Centrifugation * - pemisahan makromolekul berdasarkan distribusinya di berbagai bagian gradien dalam kepadatan.

Kromatografi eksklusi ukuran * - pemisahan molekul berdasarkan ukuran karena kemampuannya yang sangat baik untuk menembus ke dalam pori fase padat (atau cairan) yang terikat pada pembawa inert.

Pemisahan air dua fase * - distribusi partikel antara fase sistem air dua fase.

Semua teknik di atas entah bagaimana terhubung dengan pembubaran sesuatu dalam sesuatu. Para peneliti percaya bahwa ini adalah masalah besar, karena sampel mungkin terkontaminasi selama pembubaran. Dan ini akan berdampak negatif pada kualitas nanotube, sebagai hasilnya, dan sifat-sifatnya.

Metode kedua adalah pertumbuhan langsung nanotube berdinding tunggal. Yang, menurut para ilmuwan, tanpa masalah polusi di atas. Tumbuh nanotube menggunakan segmen masing-masing, implan molekul karbon dan katalis. Kerugian utama dari pertumbuhan adalah kompleksitas proses ini dan hasil yang kecil.

Ada cara lain untuk membuat nanotube, yang, pada pandangan pertama, bebas dari kekurangan, adalah pengendapan uap kimia dengan katalis mengambang (FC-CVD). Nanotube dapat diproduksi dengan cara ini dengan cepat dan dalam volume besar, dan properti mereka tidak akan terpengaruh oleh perubahan negatif. Selain itu, nanotube dapat dirakit pada filter membran untuk membentuk film tipis yang siap digunakan. Semuanya terdengar sangat cerah, tetapi di sini terletak saat yang sulit. Berada di media aerosol, katalis dapat menyebabkan kesulitan dalam proses pertumbuhan sel nanotube dengan kiralitas rendah. Masalah ini dapat diselesaikan dengan memperkenalkan sejumlah kecil NH ₃ , yang dapat mempersempit distribusi kiral. Namun, atom N dapat mencemari nanotube pada suhu tinggi, sehingga mengubah sifat elektroniknya.

Cara mana yang tidak mempertimbangkan, akan selalu ada semacam kerugian tidak menyenangkan yang harus diperhitungkan. Namun, para peneliti mengusulkan opsi ketika Anda dapat menghindari masalah di atas.

Pembuatan dan hasil sampel

Para ilmuwan memutuskan untuk tidak menemukan cara baru untuk membuat nanotube, tetapi untuk memperbaiki yang sudah ada, yaitu, deposisi uap kimia dengan katalis mengambang. Metode perbaikan ternyata cukup sederhana - menambahkan sejumlah kecil CO ₂ .

Dan sekarang dalam rangka. Nanotube berdinding tunggal disintesis dari CO (sumber karbon) pada laju aliran volumetrik 350 cm3 / mnt. Ferrocene ((η ⁵ -C ₅ H ₅ ) ₂ Fe) bertindak sebagai katalis, dibawa oleh aliran CO pada 50 cm ³ / mnt.

Proses menumbuhkan nanotube disesuaikan dengan memasukkan berbagai volume CO ₂ ke dalam reaktor dengan aliran volume 0, 1, 1.5, dan 2.0 cm ³ / mnt, yang sesuai dengan fraksi volume tersebut: 0, 0,25, 0,37, dan 0,50 vol.%. Suhu adalah 850 atau 880 ° C.


Diagram operasi reaktor

Pengenalan volume CO _{2 yang berbeda} menyebabkan fakta bahwa film dari tabung nano diperoleh dalam warna yang berbeda. Ini terlihat jelas pada gambar di bawah ini. Film-film ini diperoleh pada suhu 850 ° C.



Setelah melakukan transmisi elektron mikroskop dan spektroskopi sinar-X dispersif energi, para ilmuwan menemukan bahwa perbedaan warna sama sekali tidak mempengaruhi kinerja keseluruhan nanopartikel dan ukuran. Juga terungkap bahwa sampel memiliki kemurnian tinggi.


Mikroskop elektron transmisi (a, b, c) dan mikroskop medan gelap (d, e, f) dari tiga sampel dengan fraksi volume CO _{2 yang berbeda} .

Diameter rata-rata nanotube juga tergantung langsung pada konsentrasi CO ₂ . Jadi untuk 0, 0,25, 0,37, dan 0,50% vol, diameter rata-rata adalah 1,1, 1,3, 1,8, dan 1,9 nm, masing-masing.

Karena fakta bahwa warna film dan diameter nanotube mencerminkan konsentrasi CO ₂ , logis untuk mengasumsikan bahwa pengotor ini dengan satu atau lain cara mengubah sifat-sifat nanotube itu sendiri.

Dalam sampel hijau (0,25 vol.%), Cukup diucapkan perubahan tajam dalam koefisien absorpsi pada panjang gelombang sekitar 610 nm diamati, dan dalam sampel coklat (0,37 vol.%) - pada 760 nm.


Spektrum serapan sampel dengan fraksi volume CO _{2 yang berbeda} .

Tapi gambar lain (0 dan 0,5 vol.%), Di mana lompatan tersebut tidak diamati, tidak memiliki warna cerah, tetapi tetap abu-abu.

Untuk lebih mempertimbangkan ketergantungan distribusi kiralitas (n, m) pada konsentrasi CO ₂ , analisis difraksi elektronik sampel dilakukan.


Analisis difraksi elektron

Gambar di atas ( a ) adalah gambar khas nanotube berdinding tunggal, dan gambar b adalah gambar difraksi elektron (EDP) dari nanotube ini. Setelah menganalisis penspasian garis, indeks kiralitas ditetapkan - (16.13).


Analisis difraksi elektronik sampel 0 dan 0,25 vol.%.

Melakukan analisis sampel kerja yang sama (gambar di atas) menunjukkan hasil yang jauh lebih baik: (8.7) dan (11, 9).

Dengan meningkatnya konsentrasi CO _2, diameter nanotube juga meningkat. Dengan fraksi volume CO ₂ 0,25 vol.%, Diameternya adalah 1,0 - 1,5 nm. Indikator ini secara langsung terkait dengan tingkat penyerapan sampel.

Ternyata dengan diameter optimal tabung nano dan indikator distribusi chirality yang cukup baik, sampel memiliki warna hijau. Kalau tidak, kami mengamati warna abu-abu. Pernyataan ini harus dikorelasikan dengan konsentrasi CO ₂ , yaitu vol.% Optimumnya adalah 0,25.

Indikator lain dari struktur nanotube adalah sudut chirality (sudut antara arah lipat dan arah di mana segi enam yang berdekatan memiliki sisi yang sama).


Untuk mendapatkan tabung, yaitu, untuk memutar bidang grafit, Anda perlu memotong yang terakhir dalam garis putus-putus dan berguling di sepanjang vektor R.

Semua sampel yang dipertimbangkan (0, 0,25, dan 0,50) menunjukkan sudut chirality yang sepenuhnya memuaskan dari 20 ° -30 °.

Analisis difraksi elektron juga dilakukan untuk memverifikasi sifat elektronik bundel nanotube. Ternyata, semua tabung dalam bundel memiliki sudut kiralitas yang berbeda: 3,1 °, 18,9 °, 26,1 °.


Analisis difraksi elektronik dari bundel nanotube.

Fakta menarik juga ditemukan: dengan peningkatan konsentrasi CO ₂ dari 0 menjadi 0,50, persentase nanotube logam (yang berarti konduktivitas listrik) meningkat dari 29,8 menjadi 46,3%. Namun, ketika konsentrasi mencapai 1,23 vol.%, Kualitas nanotube sangat menurun.

Suhu memainkan peran yang sama pentingnya dalam proses pembuatan nanotube. Pada suhu yang lebih tinggi, adalah mungkin untuk mengurangi laju dekomposisi CO (dasar nanotube dalam penelitian ini). Ini akan memberikan kesempatan untuk lebih mengontrol proses sintesis dengan distribusi kiral yang lebih rendah.


Variasi dalam kiralitas (a) dan diameter (b) dari nanotube pada 0,25 vol.% CO ₂ dan suhu 880 ° C.

Membandingkan indikator ini dengan yang serupa, tetapi pada suhu 850 ° C, dapat dilihat bahwa chirality jauh lebih rendah, terkonsentrasi di sekitar (11,9). Dan diameter sebagian besar tabung (lebih dari 98%) bervariasi dalam kisaran 1,2-1,5 nm, yang merupakan hasil yang sangat baik untuk penelitian ini.

Sebuah laporan oleh para ilmuwan tentang penelitian mereka tersedia di sini . Dan bahan tambahan (grafik, gambar, tabel, dll.) Ada di sini .

Epilog

Para ilmuwan dengan jujur ​​mengatakan bahwa masih banyak yang harus diverifikasi. Untuk beberapa indikator, seperti konduktivitas listrik dan diameter, dalam sampel tanpa CO ₂ dan dengan CO ₂ tidak begitu mengesankan sehingga mereka 100% yakin akan kemenangan tanpa syarat. Namun, pentingnya menggunakan CO ₂ dalam proses pembuatan karbon nanotube berdinding tunggal jelas tidak dapat disangkal. Teknik ini membutuhkan studi dan perbaikan lebih lanjut.

Di antara hal-hal lain, para ilmuwan berhasil membuat nanotube, film-film yang berbeda warna karena perbedaan sifat. Konsentrasi berbeda CO ₂ mengubah diameter nanotube dan indeks kiralitas, yang dapat menghasilkan beberapa pilihan warna untuk film: hijau, coklat, dan abu-abu. Variasi warna bahan-bahan tersebut membuka cara-cara baru aplikasi mereka, tetapi perubahan juga akan terjadi pada yang sudah ada.

Studi ini adalah contoh nyata dari pendekatan yang luar biasa dan inovatif untuk memecahkan masalah "lama" dan demonstrasi kebenaran terkenal "semua cerdik itu sederhana."

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

3 bulan gratis ketika membayar untuk Dell R630 baru untuk jangka waktu enam bulan - 2 x Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128GB DDR4 / 4x1TB HDD atau 2x240GB SSD / 1Gbps 10 TB - dari $ 99,33 sebulan , hanya sampai akhir Agustus, pesan bisa disini

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?