Возможные применения углеродных нанотрубок - Potential applications of carbon nanotubes

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой цилиндры из одного или нескольких слоев графена (решетки). Диаметр однослойных углеродных нанотрубок (ОСНТ) и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) обычно составляет от 0,8 до 2 нм и от 5 до 20 нм соответственно, хотя диаметр МУНТ может превышать 100 нм. Длина УНТ составляет от менее 100 нм до 0,5 м.

Индивидуальные CNT стенки могут быть металлическими или полупроводниковыми в зависимости от \ НЦА , как правило , металлическими и могут нести тока до 10 ^- A см ^-2 . ОСНТ могут иметь теплопроводность 3500 Вт · м ^{-1 ·} К ^-1 , что превышает теплопроводность алмаза .

По состоянию на 2013 год производство углеродных нанотрубок превысило несколько тысяч тонн в год, которые используются для хранения энергии, моделирования устройств, автомобильных деталей, корпусов лодок, спортивных товаров, фильтров для воды, тонкопленочной электроники, покрытий, приводов и электромагнитных экранов. Публикации, связанные с CNT, выросли более чем в три раза за предыдущее десятилетие, а количество выдачи патентов также увеличилось. Большая часть продукции была неорганизованной архитектуры. Организованные архитектуры CNT, такие как «леса», пряжа и обычные листы, производились в гораздо меньших объемах. УНТ даже предлагали в качестве троса для предполагаемого космического лифта .

Каркасы из 3D-углеродных нанотрубок

Недавно в нескольких исследованиях была выявлена перспектива использования углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков для изготовления трехмерных макроскопических (> 1 мм во всех трех измерениях) полностью углеродных устройств. Lalwani et al. сообщили о новом методе термического сшивания, инициированном радикалами, для изготовления макроскопических, отдельно стоящих, пористых полностью углеродных каркасов с использованием однослойных и многостенных углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков. Эти каркасы обладают макро-, микро- и наноструктурированными порами, а пористость может быть адаптирована для конкретных применений. Эти трехмерные полностью углеродные каркасы / архитектуры могут быть использованы для изготовления следующего поколения аккумуляторов энергии, суперконденсаторов, автоэмиссионных транзисторов, высокоэффективных каталитических, фотоэлектрических и биомедицинских устройств и имплантатов.

Биологические и биомедицинские исследования

Исследователи из Университета Райса и Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук показали, что добавление углеродных нанотрубок с низким вес.% Может привести к значительному улучшению механических свойств биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для применения в тканевой инженерии, включая кости, хрящи, мышцы и др. нервная ткань. Дисперсия графена с низким процентным содержанием (~ 0,02 мас.%) Приводит к значительному увеличению механических свойств полимерных нанокомпозитов при сжатии и изгибе. Исследователи из Университета Райса, Университета Стоуни-Брук, Медицинского центра Университета Рэдбауд в Неймегене и Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что углеродные нанотрубки и их полимерные нанокомпозиты являются подходящими материалами каркаса для инженерии костной ткани и формирования кости.

УНТ проявляют размерную и химическую совместимость с биомолекулами, такими как ДНК и белки . УНТ обеспечивают флуоресцентную и фотоакустическую визуализацию, а также локализованный нагрев с использованием ближнего инфракрасного излучения.

Биосенсоры SWNT демонстрируют большие изменения электрического импеданса и оптических свойств, которые обычно модулируются адсорбцией мишени на поверхности CNT. Низкие пределы обнаружения и высокая селективность требуют проектирования поверхности УНТ и эффектов поля, емкости, спектральных сдвигов комбинационного рассеяния и фотолюминесценции для разработки сенсора. В число разрабатываемых продуктов входят печатные тест-полоски для определения эстрогена и прогестерона , микроматрицы для обнаружения ДНК и белков, а также датчики для определения NO.
₂и сердечный тропонин . Подобные датчики CNT используются в пищевой, военной и экологической промышленности.

УНТ могут быть интернализованы клетками, сначала путем связывания их кончиков с рецепторами клеточной мембраны . Это позволяет трансфекцию молекулярного груза, прикрепленного к стенкам УНТ или инкапсулированного посредством УНТ. Например, противораковое лекарственное средство доксорубицин загружали до 60 мас.% На УНТ по сравнению с максимумом от 8 до 10 мас.% На липосомы. Выпуск груза может быть вызван ближним инфракрасным излучением . Однако ограничение удержания УНТ в организме имеет решающее значение для предотвращения нежелательного накопления.

Токсичность УНТ остается проблемой, хотя биосовместимость УНТ может быть изменена. Степень воспаления легких, вызванного инъекцией хорошо диспергированных ОСНТ, была незначительной по сравнению с асбестом и твердыми частицами в воздухе. Медицинское признание УНТ требует понимания иммунного ответа и соответствующих стандартов воздействия при вдыхании, инъекции, проглатывании и контакте с кожей. Леса УНТ, иммобилизованные в полимере, не показали повышенной воспалительной реакции у крыс по сравнению с контролем. УНТ рассматриваются как электроды с низким сопротивлением нейронного интерфейса и для покрытия катетеров для уменьшения тромбоза .

Также в разработке находятся источники рентгеновского излучения с включением CNT для медицинской визуализации. Опираясь на уникальные свойства УНТ, исследователи разработали автоэмиссионные катоды, которые позволяют точно контролировать рентгеновское излучение и близко размещать несколько источников. Источники рентгеновского излучения с УНТ были продемонстрированы для доклинических применений при визуализации мелких животных и в настоящее время проходят клинические испытания.

В ноябре 2012 года исследователи из Американского национального института стандартов и технологий (NIST) доказали, что одностенные углеродные нанотрубки могут помочь защитить молекулы ДНК от повреждений в результате окисления .

Высокоэффективный метод доставки углеродных нанотрубок в клетки - это Cell squeezing , высокопроизводительная безвекторная микрофлюидная платформа для внутриклеточной доставки, разработанная в Массачусетском технологическом институте в лабораториях Роберта С. Лангера .

Углеродные нанотрубки были выращены внутри микрофлюидных каналов для химического анализа на основе электрохроматографии. Здесь высокое отношение площади поверхности к объему и высокая гидрофобность УНТ используются для того, чтобы значительно сократить время анализа небольших нейтральных молекул, которые обычно требуют большого громоздкого оборудования для анализа.

Композитные материалы

Из-за превосходных механических свойств углеродных нанотрубок было предложено множество структур, начиная от предметов повседневного обихода, таких как одежда и спортивное снаряжение, до боевых курток и космических лифтов . Однако космический лифт потребует дальнейших усилий по совершенствованию технологии углеродных нанотрубок, поскольку практическая прочность углеродных нанотрубок должна быть значительно улучшена.

На перспективу, выдающиеся прорывы уже сделаны. Новаторская работа под руководством Рэя Х. Боумана из NanoTech Institute показала, что однослойные и многослойные нанотрубки могут производить материалы, прочность которых не имеет себе равных в искусственном и естественном мире.

Углеродные нанотрубки прядут в пряжу, CSIRO

Углеродные нанотрубки также являются многообещающим материалом в качестве строительных блоков в иерархических композитных материалах, учитывая их исключительные механические свойства (~ 1 ТПа по модулю и ~ 100 ГПа по прочности). Первоначальные попытки включить УНТ в иерархические структуры (такие как пряжа, волокна или пленки) привели к механическим свойствам, которые были значительно ниже, чем эти потенциальные пределы. Иерархическая интеграция многослойных углеродных нанотрубок и металлов / оксидов металлов в единую наноструктуру может усилить потенциал композитных углеродных нанотрубок для расщепления воды и электрокатализа. Windle et al. использовали метод формования на месте химического осаждения из паровой фазы (CVD) для производства непрерывных нитей CNT из аэрогелей, выращенных методом CVD. Нити УНТ также могут быть изготовлены путем вытягивания пучков УНТ из леса УНТ и последующего скручивания для формирования волокна (метод вытягивания-скручивания, см. Рисунок справа). Группа Windle изготовила пряжу из УНТ с прочностью до ~ 9 ГПа при небольшой калибровочной длине ~ 1 мм, однако сообщалось о прочности только около ~ 1 ГПа при большей калибровочной длине 20 мм. Причина, по которой прочность волокна была низкой по сравнению с прочностью отдельных УНТ, связана с неспособностью эффективно передавать нагрузку на составляющие (прерывистые) УНТ внутри волокна. Одним из возможных путей решения этой проблемы является индуцированное облучением (или осаждением) ковалентное межслойное связывание и поперечное сшивание между УНТ для эффективного `` соединения '' УНТ с более высокими дозировками, ведущими к возможности образования аморфного углеродного композита из углеродных нанотрубок. волокна. Espinosa et al. разработали высокоэффективные композитные нити DWNT-полимер путем скручивания и растяжения лент из случайно ориентированных пучков DWNT, тонко покрытых полимерными органическими соединениями. Эти пряжи из DWNT-полимера показали необычно высокую энергию разрушения ~ 100 Дж · г ^-1 (сравнимо с одним из самых жестких природных материалов - паучий шелк) и прочность до ~ 1,4 ГПа. Продолжаются усилия по производству композитов УНТ, которые включают в себя более жесткие матричные материалы, такие как кевлар , для дальнейшего улучшения механических свойств по сравнению с характеристиками отдельных УНТ.

Из-за высокой механической прочности углеродных нанотрубок ведутся исследования по их использованию в одежде для создания стойкой к ударам и пуленепробиваемой одежде. Нанотрубки будут эффективно препятствовать проникновению пули в тело, хотя кинетическая энергия пули, вероятно, вызовет переломы костей и внутреннее кровотечение.

Углеродные нанотрубки также позволяют сократить время обработки и повысить энергоэффективность во время отверждения композита с использованием нагревателей со структурой углеродных нанотрубок. Автоклавирование является «золотым стандартом» для отверждения композитов, однако оно требует высокой цены и вводит ограничения по размеру деталей. По оценкам исследователей, для восстановления небольшой части фюзеляжа Boeing 787 из углеродного волокна и эпоксидной смолы требуется 350 ГДж энергии и производится 80 тонн углекислого газа. Это примерно такое же количество энергии, которое девять домохозяйств потребляли бы за год. Кроме того, устранение ограничений по размеру деталей избавляет от необходимости соединять небольшие составные компоненты для создания крупномасштабных структур. Это экономит время производства и приводит к более прочным конструкциям.

Нагреватели со структурой углеродных нанотрубок перспективны для замены автоклавов и обычных печей для отверждения композитов благодаря их способности достигать высоких температур с быстрым изменением скорости при высоком электрическом КПД и механической гибкости. Эти наноструктурированные нагреватели могут иметь форму пленки и наноситься непосредственно на композит. Это приводит к кондуктивной теплопередаче в отличие от конвективной теплопередачи, используемой в автоклавах и обычных печах. Lee et. al. сообщили, что только 50% тепловой энергии, вводимой в автоклав, передается отверждаемому композиту независимо от размера детали, в то время как около 90% тепловой энергии передается в наноструктурированном пленочном нагревателе в зависимости от процесса.

Ли и др. смогли успешно отверждать композиты аэрокосмического класса, используя нагреватель CNT, сделанный путем «вдавливания домино» леса CNT в тефлоновую пленку. Затем эта пленка была уложена поверх укладки препрега из 8 слоев OOA. Теплоизоляция была сделана вокруг сборки. Затем вся установка была помещена в вакуумный мешок и нагрета от источника питания 30 В постоянного тока. Были проведены испытания на степень отверждения и механические испытания для сравнения композитов, отвержденных традиционным способом, с их установкой OOA. Результаты показали, что не было никакой разницы в качестве созданного композита. Однако количество энергии, необходимое для отверждения композита OOA, было уменьшено на два порядка с 13,7 МДж до 118,8 кДж.

Однако, прежде чем углеродные нанотрубки можно будет использовать для лечения фюзеляжа Boeing 787, необходимы дальнейшие разработки. Самая большая проблема, связанная с созданием надежных нагревателей со структурой углеродных нанотрубок, - это возможность создать однородную дисперсию углеродных нанотрубок в полимерной матрице для обеспечения равномерного распределения тепла. УНТ с большой площадью поверхности приводит к возникновению сильных сил Ван-дер-Ваальса между отдельными УНТ, что приводит к их агломерации и неравномерному нагреву. Кроме того, необходимо тщательно выбирать выбранную полимерную матрицу, чтобы она могла выдерживать возникающие высокие температуры и повторяющиеся термоциклы, необходимые для отверждения нескольких компонентов композита.

Смеси

MWNT впервые были использованы в качестве электропроводящих наполнителей в металлах в концентрациях до 83,78 процентов по весу (вес.%). МСНТ-полимерные композиты достигают проводимости выше , чем 10000 S м ^-1 при 10% по весу загрузки. В автомобильной промышленности УНТ-пластмассы используются для электростатической окраски корпусов зеркал, а также топливопроводов и фильтров, рассеивающих электростатический заряд . К другим продуктам относятся корпуса, экранирующие электромагнитные помехи (EMI), и носители для кремниевых пластин.

Для несущих нагрузок порошки УНТ смешиваются с полимерами или смолами-предшественниками для увеличения жесткости, прочности и ударной вязкости. Эти улучшения зависят от диаметра УНТ, соотношения сторон, выравнивания, дисперсии и межфазного взаимодействия. В предварительно смешанных смолах и маточных смесях используется содержание УНТ от 0,1 до 20 мас.%. Наноразмерное прерывистое скольжение между УНТ и контактами УНТ-полимер может увеличить демпфирование материала, улучшая качество спортивных товаров, включая теннисные ракетки, бейсбольные биты и велосипедные рамы.

Смолы CNT улучшают композитные волокна, в том числе лопасти ветряных турбин и корпуса морских судов безопасности, которые изготавливаются путем улучшения композитов из углеродного волокна смолой с добавлением CNT. УНТ используются в качестве добавок к органическим предшественникам более прочных углеродных волокон диаметром 1 мкм. УНТ влияют на расположение углерода в пиролизованном волокне.

Для решения проблемы организации УНТ в больших масштабах, иерархические волокнистые композиты создаются путем выращивания выровненных лесов на стекле, карбиде кремния (SiC), оксиде алюминия и углеродных волокнах, создавая так называемые «нечеткие» волокна. Нечеткая эпоксидная ткань УНТ-SiC и УНТ-оксид алюминия продемонстрировала улучшенную на 69% стойкость к раскрытию трещин (режим I) и / или межслойной вязкости при сдвиге в плоскости (режим II). Рассматриваемые приложения включают защиту от ударов молнии, защиту от обледенения и контроль состояния конструкций самолетов.

MWNT могут использоваться в качестве антипиреновой добавки к пластмассам из-за изменения реологии из- за загрузки нанотрубок. Такие добавки могут заменить галогенированные антипирены , которые сталкиваются с экологическими ограничениями.

Смеси УНТ / бетон обеспечивают повышенную прочность на разрыв и меньшее распространение трещин .

Buckypaper (агрегат нанотрубок) может значительно улучшить огнестойкость за счет эффективного отражения тепла.

Текстиль

Предыдущие исследования использования УНТ для функционализации текстиля были сосредоточены на прядении волокон для улучшения физических и механических свойств. В последнее время большое внимание уделяется покрытию УНТ текстильных материалов. Для модификации тканей с использованием УНТ применялись различные методы. производила интеллектуальный электронный текстиль для биомониторинга человека с использованием покрытия на основе полиэлектролита с УНТ. Кроме того, Panhuis et al. окрашенный текстильный материал путем погружения либо в раствор полимера поли (2-метоксианилин-5-сульфоновой кислоты) PMAS, либо в дисперсию PMAS-SWNT с повышенной проводимостью и емкостью с долговечными свойствами. В другом исследовании Ху и его коллеги покрыли однослойные углеродные нанотрубки простым методом «погружения и сушки» для носимой электроники и накопителей энергии. В недавнем исследовании Ли и его коллеги, используя эластомерный сепаратор, почти достигли полностью растягиваемого суперконденсатора на основе изогнутых однослойных макропленок из углеродных нанотрубок. Использовался электропряденый полиуретан, который обеспечивал хорошую механическую растяжимость, а вся ячейка обеспечивала отличную стабильность циклического заряда-разряда. УНТ имеют выровненную структуру нанотрубок и отрицательный поверхностный заряд. Следовательно, они имеют структуру, аналогичную прямым красителям, поэтому метод истощения применяется для покрытия и поглощения УНТ на поверхности волокна для изготовления многофункциональной ткани, включая антибактериальные, электропроводящие, огнестойкие и электромагнитные свойства поглощения.

Позже нити из УНТ и ламинированные листы, изготовленные прямым химическим осаждением из паровой фазы (CVD) или методами прядения или вытяжки в лесу, могут конкурировать с углеродным волокном в высокотехнологичных областях применения, особенно в приложениях, чувствительных к весу, требующих сочетания электрических и механических функций. Исследовательская пряжа, изготовленная из УНТ с небольшими стенками, достигла жесткости 357 ГПа и прочности 8,8 ГПа при калибровочной длине, сравнимой с миллиметровыми УНТ внутри пряжи. Измерительные приборы с сантиметровой шкалой обеспечивают гравиметрическую прочность всего 2 ГПа, что соответствует прочности кевлара .

Поскольку вероятность критического дефекта увеличивается с увеличением объема, пряжа может никогда не достичь прочности отдельных УНТ. Однако большая площадь поверхности CNT может обеспечить межфазное сцепление, которое смягчает эти недостатки. Нити CNT можно связать без потери прочности. Покрытие листов УНТ, вытянутых лесным способом, функциональным порошком перед укладкой крученой пряжи дает ткацкие, плетеные и сшиваемые нити, содержащие до 95 мас.% Порошка. Применяется в сверхпроводящих проводах, электродах аккумуляторных батарей и топливных элементов, а также в самоочищающемся текстиле.

Пока непрактичные волокна из ориентированных ОСНТ могут быть изготовлены путем центрифугирования суспензий УНТ на основе коагуляции. Для коммерциализации необходимы более дешевые SWNT или центрифугированные MWNT. Углеродные нанотрубки могут быть растворены в суперкислотах, таких как фтористоводородная кислота, и втянуты в волокна при сухом струйно-влажном прядении.

Композитная пряжа ДУНТ-полимер была получена путем скручивания и растяжения лент из беспорядочно ориентированных пучков ДУНТ, тонко покрытых полимерно-органическими соединениями.

Бронежилеты - боевые куртки Кембриджский университет разработал волокна и лицензировал их производство. Для сравнения, пуленепробиваемое волокно кевлар разрушается при 27–33 Дж / г.

Синтетические мышцы обеспечивают высокий коэффициент сокращения / разгибания при наличии электрического тока.

SWNT используется в качестве экспериментального материала для съемных структурных панелей мостов.

В 2015 году исследователи включили УНТ и графен в паучий шелк , повысив его прочность и стойкость до нового рекорда. Они опрыскали 15 пауков Pholcidae водой, содержащей нанотрубки или хлопья. Полученный шелк имел прочность на излом до 5,4 ГПа , модуль Юнга до 47,8 ГПа и модуль ударной вязкости до 2,1 ГПа, превосходя как синтетические полимерные волокна с высокими характеристиками (например, кевлар49 ), так и узловатые волокна.

Пружины из углеродных нанотрубок

«Леса» растянутых, выровненных пружин MWNT могут достигать плотности энергии в 10 раз большей, чем у стальных пружин, обеспечивая долговечность при циклических нагрузках, нечувствительность к температуре, отсутствие самопроизвольного разряда и произвольную скорость разряда. Ожидается, что леса SWNT смогут хранить гораздо больше, чем MWNT.

Сплавы

Добавление небольших количеств УНТ к металлам увеличивает прочность на разрыв и модуль упругости в аэрокосмических и автомобильных конструкциях. Коммерческие алюминий-МСНТ композиты имеют сильные , сравнимые с нержавеющей стали ( от 0,7 до 1 ГПа) на одну треть плотности (2,6 г см ^-3 ), что сравнимо с более дорогих сплавов алюминий-литий.

Покрытия и пленки

УНТ могут служить в качестве многофункционального покрывающего материала. Например, смеси краски и MWNT могут уменьшить биообрастание корпусов судов, препятствуя прикреплению водорослей и ракушек . Они являются возможной альтернативой экологически опасным краскам, содержащим биоциды. Добавление УНТ в антикоррозионные покрытия для металлов может повысить жесткость и прочность покрытия и обеспечить катодную защиту.

CNT представляют собой менее дорогую альтернативу ITO для ряда потребительских устройств. Помимо стоимости гибкие прозрачные проводники CNT имеют преимущество перед хрупкими покрытиями ITO для гибких дисплеев. Проводники УНТ могут быть нанесены из раствора и сформированы такими методами, как трафаретная печать. Пленки SWNT обеспечивают 90% прозрачность и удельное сопротивление листа 100 Ом на квадрат. Такие пленки находятся в стадии разработки для тонкопленочных обогревателей, например, для размораживания окон или тротуаров.

Леса и пены углеродных нанотрубок также могут быть покрыты множеством различных материалов, чтобы изменить их функциональность и характеристики. Примеры включают покрытые кремнием УНТ для создания гибких энергоемких батарей, графеновые покрытия для создания высокоэластичных аэрогелей и покрытия из карбида кремния для создания прочного конструкционного материала для надежных трехмерных микроархитектур с высоким соотношением сторон.

Существует множество методов формирования покрытий и пленок из УНТ.

Детекторы оптической мощности

Напыляемая смесь углеродных нанотрубок и керамики демонстрирует беспрецедентную способность противостоять повреждениям при поглощении лазерного света. Такие покрытия, которые поглощают энергию мощных лазеров без разрушения, необходимы для детекторов оптической мощности, которые измеряют выходную мощность таких лазеров. Они используются, например, в военной технике для обезвреживания неразорвавшихся мин. Композит состоит из многослойных углеродных нанотрубок и керамики из кремния, углерода и азота. В том числе бор повышает температуру пробоя. Нанотрубки и графеноподобный углерод хорошо передают тепло, а устойчивая к окислению керамика повышает устойчивость к повреждениям. Создание покрытия включает диспергирование нанотрубок в толуоле , к которому был добавлен прозрачный жидкий полимер, содержащий бор. Смесь нагревали до 1100 ° C (2010 ° F). Результат измельчается в мелкий порошок, снова диспергируется в толуоле и распыляется тонким слоем на медную поверхность. Покрытие поглощало 97,5% света дальнего инфракрасного лазера и выдерживало 15 киловатт на квадратный сантиметр в течение 10 секунд. Устойчивость к повреждениям примерно на 50 процентов выше, чем у аналогичных покрытий, например, только нанотрубок и угольной краски.

Радиолокационное поглощение

Радары работают в микроволновом диапазоне частот, который может поглощаться МУНТ. Применение MWNT к самолету приведет к поглощению радиолокатора и, следовательно, будет иметь меньшее поперечное сечение радиолокатора . Одним из таких приложений может быть нанесение нанотрубок на плоскость. Недавно в Мичиганском университете была проделана некоторая работа, касающаяся использования углеродных нанотрубок в качестве стелс-технологии на самолетах. Было обнаружено, что в дополнение к свойствам поглощения радара, нанотрубки не отражают и не рассеивают видимый свет, что делает его практически невидимым в ночное время, так же, как окрашивание нынешних самолетов-невидимок в черный цвет, за исключением гораздо большей эффективности. Текущие ограничения в производстве, однако, означают, что текущее производство самолетов с нанотрубками невозможно. Одна из теорий преодоления этих нынешних ограничений заключается в том, чтобы покрыть мелкие частицы нанотрубками и подвесить покрытые нанотрубками частицы в среде, такой как краска, которая затем может быть нанесена на поверхность, как самолет-невидимка.

В 2010 году корпорация Lockheed Martin подала заявку на патент именно на такой радиопоглощающий материал на основе УНТ, который в 2012 году был передан компании Applied NanoStructure Solutions, LLC. Некоторые считают, что этот материал используется в F-35 Lightning II .

Микроэлектроника

Транзисторы на основе нанотрубок , также известные как полевые транзисторы из углеродных нанотрубок (CNTFET), были созданы, которые работают при комнатной температуре и способны к цифровому переключению с использованием одного электрона. Однако одним из основных препятствий для реализации нанотрубок было отсутствие технологий для массового производства. В 2001 году исследователи IBM продемонстрировали, как можно разрушить металлические нанотрубки, оставив полупроводниковые для использования в качестве транзисторов. Их процесс называется «конструктивным разрушением», который включает автоматическое разрушение дефектных нанотрубок на пластине . Однако этот процесс дает контроль над электрическими свойствами только в статистическом масштабе.

ОСНТ привлекательны для транзисторов из-за их низкого рассеяния электронов и ширины запрещенной зоны. SWNT совместимы с архитектурами полевых транзисторов (FET) и диэлектриками high-k. Несмотря на прогресс после появления CNT-транзистора в 1998 году, включая туннельный полевой транзистор с подпороговым размахом <60 мВ за десятилетие (2004 год), радио (2007 год) и полевой транзистор с длиной канала менее 10 нм и нормализованной плотностью тока 2,41 мА мкм ^-1 при 0,5 В, больше, чем у кремниевых устройств.

Однако контроль диаметра, хиральности, плотности и размещения остается недостаточным для промышленного производства. Менее требовательные устройства, состоящие из десятков и тысяч SWNT, более практичны. Использование массивов УНТ / транзисторов увеличивает выходной ток и компенсирует дефекты и различия хиральности, улучшая однородность и воспроизводимость устройства. Например, транзисторы, использующие горизонтально выровненные массивы УНТ, достигли подвижности 80 см ² В ^-1 с ^-1 , подпороговой крутизны 140 мВ на декаду и отношения включения / выключения до 10 ⁵ . Методы осаждения пленок УНТ позволяют изготавливать более 10 000 устройств УНТ на одном кристалле с помощью обычных полупроводников.

Тонкопленочные транзисторы с печатными УНТ (TFT) привлекательны для управления дисплеями на органических светодиодах , демонстрируя более высокую подвижность, чем аморфный кремний (~ 1 см ² В ^-1 с ^-1 ), и их можно наносить низкотемпературными невакуумными методами. Были продемонстрированы гибкие тонкопленочные транзисторы с УНТ с подвижностью 35 см ² В ^-1 с ^-1 и отношением включения / выключения 6 × 10 ⁶ . Вертикальный полевой транзистор из CNT показал достаточный выходной ток для управления OLED-светодиодами при низком напряжении, обеспечивая красно-зелено-синее излучение через прозрачную сеть CNT. CNT рассматриваются для радиочастотных идентификационных меток. Было продемонстрировано избирательное удержание полупроводниковых ОСНТ во время нанесения покрытия методом центрифугирования и снижение чувствительности к адсорбатам.

Международная технологическая дорожная карта для полупроводников предполагает, что УНТ могут заменить медные межсоединения в интегральных схемах из-за их низкого рассеяния, высокой пропускной способности по току и устойчивости к электромиграции. Для этого необходимы переходные отверстия, содержащие плотно упакованные (> 10 ¹³ см ^-2 ) металлические УНТ с низкой плотностью дефектов и низким контактным сопротивлением. Недавно на пластинах диаметром 200 мм были продемонстрированы совместимые с комплементарно-металл-оксидным полупроводником (КМОП) межсоединения диаметром 150 нм с сопротивлением одного контактного отверстия УНТ 2,8 кОм. Кроме того, в качестве замены паяных выступов УНТ могут функционировать как в качестве электрических выводов, так и в качестве рассеивателей тепла для использования в мощных усилителях.

Наконец, концепция энергонезависимой памяти на основе отдельных поперечных электромеханических переключателей УНТ была адаптирована для коммерциализации путем создания рисунка на тонких пленках из запутанных УНТ в качестве функциональных элементов. Это потребовало разработки суспензий сверхчистых УНТ, на которые можно наносить центрифугирование и обрабатывать в промышленных чистых помещениях, и поэтому они совместимы со стандартами обработки КМОП.

Транзисторы

Полевые транзисторы на углеродных нанотрубках (CNTFET) могут работать при комнатной температуре и способны к цифровому переключению с использованием одного электрона . В 2013 году была продемонстрирована логическая схема CNT, способная выполнять полезную работу. Основными препятствиями для микроэлектроники на основе нанотрубок являются отсутствие технологии для массового производства , плотность схемы, расположение отдельных электрических контактов, чистота образца, контроль длины, хиральности и желаемого выравнивания, тепловой баланс и контактное сопротивление.

Одной из основных проблем было регулирование проводимости. В зависимости от тонких особенностей поверхности нанотрубка может действовать как проводник или как полупроводник .

Другой способ сделать транзисторы из углеродных нанотрубок - использовать их случайные сети. Таким образом можно усреднить все их электрические различия, и можно производить устройства в больших масштабах на уровне пластины. Этот подход был впервые запатентован Nanomix Inc. (дата первоначальной заявки июнь 2002 г.). Впервые он был опубликован в академической литературе Лабораторией военно-морских исследований США в 2003 году в результате независимой исследовательской работы. Этот подход также позволил Nanomix создать первый транзистор на гибкой и прозрачной подложке.

Поскольку длина свободного пробега электронов в ОСНТ может превышать 1 мкм, полевые УНТ-транзисторы с длинным каналом демонстрируют характеристики переноса , близкие к баллистическим , что приводит к высоким скоростям. Предполагается, что устройства CNT будут работать в диапазоне частот в сотни гигагерц.

Нанотрубки можно выращивать на наночастицах магнитного металла ( Fe , Co ), что облегчает производство электронных ( спинтронных ) устройств. В частности, в такой однотрубной наноструктуре было продемонстрировано управление током через полевой транзистор с помощью магнитного поля.

История

В 2001 году исследователи IBM продемонстрировали, как металлические нанотрубки можно разрушить, оставив полупроводниковые нанотрубки для использования в качестве компонентов. Используя «конструктивное разрушение», они уничтожили дефектные нанотрубки на пластине . Однако этот процесс дает контроль над электрическими свойствами только в статистическом масштабе. В 2003 году сообщалось о баллистических транзисторах , работающих при комнатной температуре, с омическими металлическими контактами и диэлектриком затвора с высоким k , показывающими в 20–30 раз больший ток, чем у современных кремниевых полевых МОП-транзисторов . Палладий является металлом с высокой работой выхода, который, как было показано, демонстрирует безбарьерные контакты Шоттки с полупроводниковыми нанотрубками диаметром> 1,7 нм.

Потенциал углеродных нанотрубок был продемонстрирован в 2003 году, когда сообщалось о баллистических транзисторах , работающих при комнатной температуре, с омическими металлическими контактами и диэлектриком с высоким k затвора , показывающих в 20–30 раз больший ток включения, чем у современных Si MOSFET . Это стало важным достижением в данной области, поскольку было показано, что УНТ потенциально превосходят Si. В то время основной проблемой было образование омических металлических контактов. В связи с этим было показано , что палладий , являющийся металлом с высокой работой выхода, имеет безбарьерные контакты Шоттки с полупроводниковыми нанотрубками диаметром> 1,7 нм.

Первая интегральная схема памяти на основе нанотрубок была создана в 2004 году. Одной из основных проблем было регулирование проводимости нанотрубок. В зависимости от тонких особенностей поверхности нанотрубка может действовать как простой проводник или как полупроводник. Однако был разработан полностью автоматизированный метод удаления неполупроводниковых трубок.

В 2013 году исследователи продемонстрировали полный по Тьюрингу прототип компьютера микрометрического масштаба. Транзисторы на углеродных нанотрубках как схемы с логическим затвором с плотностями, сопоставимыми с современной КМОП-технологией, еще не были продемонстрированы.

В 2014 году сети из очищенных полупроводниковых углеродных нанотрубок были использованы в качестве активного материала в тонкопленочных транзисторах p-типа . Они были созданы с помощью трехмерных принтеров с использованием методов струйной печати или глубокой печати на гибких подложках, включая полиимид и полиэтилен (ПЭТ), а также на прозрачных подложках, таких как стекло. Эти транзисторы надежно демонстрируют высокую подвижность (> 10 см ² В ^-1 с ^-1 ) и отношения включения / выключения (> 1000), а также пороговые напряжения ниже 5 В. Они обеспечивают плотность тока и низкое энергопотребление, а также устойчивость к окружающей среде. и механическая гибкость. Гистерезис вольт-амперных проклятий, а также изменчивость порогового напряжения еще предстоит решить.

В 2015 году исследователи объявили о новом способе подключения проводов к SWNT, который позволяет продолжать сокращать ширину проводов без увеличения электрического сопротивления. Ожидается, что продвижение сократит точку контакта между двумя материалами до 40 атомов в ширину, а позже и меньше. Трубки выровнены равномерно расположенными рядами на кремниевых пластинах. Моделирование показало, что конструкции могут быть оптимизированы либо для достижения высокой производительности, либо для низкого энергопотребления. Коммерческих устройств не ожидалось до 2020-х годов.

Управление температурным режимом

Большие структуры из углеродных нанотрубок могут использоваться для управления температурой электронных схем. Слой углеродных нанотрубок толщиной примерно 1 мм использовался в качестве специального материала для изготовления охладителей, этот материал имеет очень низкую плотность, в ~ 20 раз меньший вес, чем аналогичная медная структура, в то время как охлаждающие свойства этих двух материалов схожи.

Buckypaper имеет характеристики , подходящие для использования в качестве теплоотвода для древесностружечных, с подсветкой для ЖК - экранов или как клетка Фарадея .

Солнечные батареи

Одним из многообещающих применений однослойных углеродных нанотрубок (ОСНТ) является их использование в солнечных батареях из-за их сильных характеристик поглощения УФ / видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Исследования показали, что они могут значительно повысить эффективность даже в текущем неоптимизированном состоянии. Солнечные элементы, разработанные в Технологическом институте Нью-Джерси, используют комплекс углеродных нанотрубок, образованный смесью углеродных нанотрубок и углеродных бакиболов (известных как фуллерены ), чтобы сформировать змееподобные структуры. Бакиболлы захватывают электроны, но они не могут заставить электроны течь. Добавьте солнечный свет, чтобы возбудить полимеры, и бакиболлы захватят электроны. Нанотрубки, которые ведут себя как медные провода, смогут заставить электроны или ток течь.

Дополнительные исследования были проведены по созданию гибридных солнечных панелей SWNT для дальнейшего повышения эффективности. Эти гибриды создаются путем комбинирования ОСНТ с фотовозбудимыми донорами электронов для увеличения количества генерируемых электронов. Было обнаружено, что взаимодействие между фотовозбужденным порфирином и ОСНТ приводит к образованию пар дырочных электродов на поверхности ОСНТ. Это явление наблюдалось экспериментально и практически способствует увеличению КПД до 8,5%.

Нанотрубки потенциально могут заменить оксид индия и олова в солнечных элементах в качестве прозрачной проводящей пленки в солнечных элементах, позволяющей свету проходить к активным слоям и генерировать фототок.

УНТ в органических солнечных элементах помогают снизить потери энергии (рекомбинацию носителей) и повысить устойчивость к фотоокислению. Фотоэлектрические технологии могут когда-нибудь включать гетеропереходы УНТ-кремний, чтобы использовать эффективную генерацию множества экситонов на pn-переходах, сформированных внутри отдельных УНТ. В ближайшем будущем коммерческие фотоэлектрические устройства могут включать в себя прозрачные электроды из ОСНТ.

Хранение водорода

Помимо способности хранить электрическую энергию, были проведены некоторые исследования по использованию углеродных нанотрубок для хранения водорода, который будет использоваться в качестве источника топлива. Воспользовавшись капиллярным эффектом малых углеродных нанотрубок, можно конденсировать газы с высокой плотностью внутри однослойных нанотрубок. Это позволяет газам, в первую очередь водороду (H ₂ ), храниться с высокой плотностью без конденсации в жидкость. Потенциально этот метод хранения может использоваться на транспортных средствах вместо газовых топливных баков для автомобилей с водородным двигателем. Актуальная проблема, связанная с транспортными средствами, работающими на водороде, - это хранение топлива на борту. Современные методы хранения включают охлаждение и конденсацию газообразного H ₂ до жидкого состояния для хранения, что вызывает потерю потенциальной энергии (25–45%) по сравнению с энергией, связанной с газообразным состоянием. Хранение с использованием SWNT позволит удерживать H2 в газообразном состоянии, тем самым увеличивая эффективность хранения. Этот метод позволяет добиться немного меньшего отношения объема к энергии, чем у нынешних газовых транспортных средств, что позволяет получить немного меньший, но сопоставимый диапазон.

Область споров и частых экспериментов относительно хранения водорода путем адсорбции в углеродных нанотрубках - это эффективность, с которой происходит этот процесс. Эффективность хранения водорода является неотъемлемой частью его использования в качестве основного источника топлива, поскольку водород содержит только около четверти энергии на единицу объема, чем бензин. Однако исследования показывают, что наиболее важным является площадь поверхности используемых материалов. Следовательно, активированный уголь с площадью поверхности 2600 м2 / г может хранить до 5,8% мас. Во всех этих углеродистых материалах водород сохраняется путем физической сорбции при температуре 70-90 К.

Экспериментальная емкость

Один эксперимент был направлен на определение количества водорода, хранящегося в УНТ, с помощью анализа обнаружения упругой отдачи (ERDA). УНТ (в основном ОСНТ) были синтезированы методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) и подверглись двухступенчатому процессу очистки, включая окисление на воздухе и кислотную обработку, затем были сформированы в плоские однородные диски и подвергнуты воздействию чистого водорода под давлением при различных температурах. При анализе данных было обнаружено, что способность УНТ накапливать водород снижается с увеличением температуры. Более того, максимальная измеренная концентрация водорода составляла ~ 0,18%; значительно ниже, чем должно быть коммерчески жизнеспособное хранение водорода. Отдельная экспериментальная работа, выполненная с использованием гравиметрического метода, также показала, что максимальная способность УНТ поглощать водород составляет всего 0,2%.

В другом эксперименте УНТ были синтезированы методом химического осаждения из паровой фазы, а их структура была охарактеризована с помощью рамановской спектроскопии . Используя микроволновое разложение , образцы подвергали воздействию различных концентраций кислоты и разных температур в течение разного времени в попытке найти оптимальный метод очистки для ОСНТ с диаметром, определенным ранее. Затем очищенные образцы подвергали воздействию газообразного водорода при различных высоких давлениях и наносили на график их адсорбцию в процентах по массе. Данные показали, что уровни адсорбции водорода до 3,7% возможны с очень чистым образцом и при надлежащих условиях. Считается, что микроволновое разложение помогает улучшить способность УНТ адсорбировать водород, открывая концы, открывая доступ к внутренним полостям нанотрубок.

Ограничения эффективной адсорбции водорода

Самым большим препятствием для эффективного хранения водорода с помощью УНТ является чистота нанотрубок. Для достижения максимальной адсорбции водорода в образце нанотрубки должно быть минимум графена , аморфного углерода и металлических отложений. Современные методы синтеза УНТ требуют стадии очистки. Однако даже с чистыми нанотрубками адсорбционная способность максимальна только при высоком давлении, что нежелательно в коммерческих топливных баках.

Электронные компоненты

Различные компании разрабатывают прозрачные, электропроводящие пленки из УНТ и нанопучки для замены оксида индия и олова (ITO) в ЖК-дисплеях, сенсорных экранах и фотоэлектрических устройствах. Пленки с нанотрубками перспективны для использования в дисплеях для компьютеров, сотовых телефонов, персональных цифровых помощников и банкоматов . УНТ-диоды проявляют фотоэлектрический эффект .

Многослойные нанотрубки ( MWNT, покрытые магнетитом ) могут создавать сильные магнитные поля. Последние достижения показывают, что MWNT, украшенные наночастицами маггемита, могут быть ориентированы в магнитном поле и улучшать электрические свойства композитного материала в направлении поля для использования в щетках электродвигателей .

Слой 29% железа , обогащенный однослойные нанотрубки ( ОСНТ ) , размещенные на верхней части слоя взрывчатого вещества , такого как PETN может воспламеняться с обычной вспышкой камеры.

УНТ могут использоваться в качестве электронных пушек в миниатюрных электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) в дисплеях с высокой яркостью, низким энергопотреблением и малым весом. Дисплей будет состоять из группы крошечных ЭЛТ, каждая из которых обеспечивает электроны для освещения люминофора одного пикселя , вместо одной ЭЛТ, электроны которой нацелены с помощью электрических и магнитных полей . Эти дисплеи известны как автоэмиссионные дисплеи (FED).

CNT могут действовать как антенны для радио и других электромагнитных устройств.

Проводящие УНТ используются в щетках промышленных электродвигателей. Они заменяют традиционную сажу . Нанотрубки улучшают электрическую и теплопроводность, поскольку они проходят через пластиковую матрицу щетки. Это позволяет уменьшить количество углеродного наполнителя с 30% до 3,6%, так что в щетке присутствует больше матрицы. Щетки двигателя из композитных нанотрубок лучше смазываются (за счет матрицы), работают на более низком уровне (как за счет лучшей смазки, так и за счет превосходной теплопроводности), менее хрупкие (больше матрицы и армирования волокном), прочнее и точнее поддаются формованию (больше матрицы). Поскольку щетки являются критическим местом отказа электродвигателей, а также не требуют большого количества материала, они стали экономичными раньше, чем любое другое применение.

Провода для проведения электрического тока могут быть изготовлены из нанотрубок и композитов нанотрубка-полимер. Изготовлены малые провода с удельной проводимостью, превышающей медь и алюминий; неметаллические кабели с самой высокой проводимостью.

УНТ исследуются как альтернатива вольфрамовым нитям в лампах накаливания .

Межкомпонентные соединения

Металлические углеродные нанотрубки вызвали интерес исследователей в связи с их применимостью в качестве межсоединений с очень крупномасштабной интеграцией (СБИС) из-за их высокой термостойкости , высокой теплопроводности и большой допустимой нагрузки по току . Изолированная УНТ может переносить плотность тока, превышающую 1000 МА / см ^2, без повреждений даже при повышенной температуре 250 ° C (482 ° F), что устраняет проблемы надежности электромиграции, которые мешают межсоединениям из меди . Недавняя работа по моделированию, сравнивающая эти два соединения, показала, что межкомпонентные связки CNT потенциально могут иметь преимущества по сравнению с медью. Недавние эксперименты продемонстрировали сопротивление всего 20 Ом с использованием различных архитектур, подробные измерения проводимости в широком диапазоне температур согласуются с теорией для сильно неупорядоченного квазиодномерного проводника.

Гибридные межкомпонентные соединения, в которых используются переходные отверстия CNT в тандеме с медными межсоединениями, могут иметь преимущества с точки зрения надежности / терморегулирования. В 2016 году Европейский Союз профинансировал трехлетний проект стоимостью четыре миллиона евро по оценке технологичности и производительности композитных межсоединений, в которых используются как CNT, так и медные межсоединения. Проект под названием CONNECT (CarbON Nanotube compositE InterconneCTs) включает в себя совместные усилия семи европейских партнеров по исследованиям и промышленности по технологиям и процессам изготовления, которые позволят создать надежные углеродные нанотрубки для межсоединений на кристалле при производстве микрочипов ULSI.

Электрические кабели и провода

Провода для проведения электрического тока могут быть изготовлены из чистых нанотрубок и композитов нанотрубка-полимер. Уже было продемонстрировано, что провода из углеродных нанотрубок могут успешно использоваться для передачи энергии или данных. Недавно были изготовлены небольшие провода с удельной проводимостью, превышающей медь и алюминий; Эти кабели представляют собой углеродные нанотрубки с самой высокой проводимостью, а также неметаллические кабели с самой высокой проводимостью. Недавно было показано, что композит из углеродных нанотрубок и меди обладает почти в сто раз большей токонесущей способностью, чем чистая медь или золото. Примечательно, что электропроводность такого композита подобна чистой меди. Таким образом, этот композит углеродные нанотрубки-медь (CNT-Cu) обладает самой высокой наблюдаемой токонесущей способностью среди электрических проводников. Таким образом, для данного поперечного сечения электрического проводника композит CNT-Cu может выдерживать и передавать в сто раз более высокий ток по сравнению с металлами, такими как медь и золото.

Накопители энергии за CNT

Использование УНТ в качестве носителя катализатора в топливных элементах может потенциально снизить использование платины на 60% по сравнению с сажей. Легированные УНТ могут способствовать полному удалению Pt.

Суперконденсатор

Исследовательская лаборатория электроники Массачусетского технологического института использует нанотрубки для улучшения суперконденсаторов . Активированный уголь, используемый в обычных ультраконденсаторах, имеет множество небольших полостей различного размера, которые вместе создают большую поверхность для хранения электрического заряда. Но поскольку заряд квантуется в элементарные заряды, то есть электроны, и каждый такой элементарный заряд требует минимального пространства, значительная часть поверхности электрода недоступна для хранения, поскольку полые пространства несовместимы с требованиями заряда. С помощью электрода из нанотрубок пространства могут быть адаптированы к размеру - несколько слишком больших или слишком маленьких - и, следовательно, емкость должна быть значительно увеличена.

Суперконденсатор 40-F с максимальным напряжением 3,5 В, в котором использовались выращенные в лесу ОСНТ, не содержащие связующих и добавок, достиг удельной энергии 15,6 Вт · ч · кг ^-1 и удельной мощности 37 кВт · кг ^-1 . УНТ могут быть прикреплены к зарядным пластинам конденсаторов для значительного увеличения площади поверхности и, следовательно, плотности энергии .

Аккумуляторы

Возбуждающие электронные свойства углеродных нанотрубок (УНТ) показали себя многообещающими в области батарей, где, как правило, они испытываются в качестве нового электродного материала, особенно анода для литий-ионных батарей. Это связано с тем, что анод требует относительно высокой обратимой емкости при потенциале, близком к металлическому литию, и умеренной необратимой емкости, наблюдаемой до сих пор только у композитов на основе графита, таких как УНТ. Они показали, что они значительно улучшают емкость и цикличность литий-ионных аккумуляторов , а также способность быть очень эффективными компонентами буферизации, смягчая деградацию аккумуляторов, которая обычно происходит из-за повторяющейся зарядки и разрядки. Кроме того, электронный перенос в аноде можно значительно улучшить, используя высокометаллические УНТ.

Более конкретно, CNT показали обратимую емкость от 300 до 600 мАч г ^-1 , при некоторых обработках с ними эти цифры увеличиваются до 1000 мАч г ^-1 . Между тем, графит , который наиболее широко используется в качестве анодного материала для этих литиевых батарей, показал емкость всего 320 мА · ч ^-1 . Создавая композиты из УНТ, ученые видят большой потенциал в использовании преимуществ этих исключительных возможностей, а также их превосходной механической прочности, проводимости и низкой плотности.

MWNT используются в катодах литий-ионных аккумуляторов . В этих батареях небольшие количества порошка MWNT смешаны с активными материалами и полимерным связующим, например, 1 вес.% CNT в LiCoO.
₂ катоды и графитовые аноды . УНТ обеспечивают повышенную электрическую связь и механическую целостность, что увеличивает скорость и срок службы.

Бумажные батарейки

Бумага батареи является батарея инженерии , чтобы использовать бумажный тонкий лист целлюлозы (который является основным компонентом обычной бумаге, помимо всего прочего) , залитый ориентированных углеродных нанотрубок. Потенциал этих устройств велик, так как они могут изготавливаться с помощью процесса рулон-рулон , что делает его очень дешевым, и они будут легкими, гибкими и тонкими. Для продуктивного использования бумажной электроники (или любых тонких электронных устройств) источник питания должен быть одинаково тонким, что указывает на необходимость использования бумажных батарей. Недавно было показано, что поверхности, покрытые УНТ, можно использовать для замены тяжелых металлов в батареях. Совсем недавно были продемонстрированы функциональные бумажные батареи, в которых литий-ионная батарея интегрирована на один лист бумаги посредством процесса ламинирования в виде композита с Li4Ti5O12 (LTO) или LiCoO2 (LCO). Бумажная подложка будет хорошо работать как разделитель для батареи, где пленки УНТ действуют как токосъемники как для анода, так и для катода. Эти перезаряжаемые энергетические устройства демонстрируют потенциал в RFID-метках , функциональной упаковке или новых одноразовых электронных устройствах.

Улучшения также были продемонстрированы в свинцово-кислотных аккумуляторах на основе исследований, проведенных Университетом Бар-Илан с использованием высококачественных SWCNT, производимых OCSiAl . Исследование продемонстрировало увеличение срока службы свинцово-кислотных аккумуляторов в 4,5 раза и увеличение емкости в среднем на 30% и до 200% при высоких скоростях разряда.

Химическая

УНТ можно использовать для опреснения . Молекулы воды можно отделить от соли, пропустив их через электрохимически устойчивые сети нанотрубок с контролируемой наноразмерной пористостью. Этот процесс требует гораздо более низкого давления, чем обычные методы обратного осмоса . По сравнению с простой мембраной, она работает при более низкой температуре на 20 ° C и в 6 раз большей скорости потока. Мембраны, в которых используются выровненные, инкапсулированные УНТ с открытыми концами, пропускают поток через внутреннюю часть УНТ. ОСНТ очень малого диаметра необходимы для удаления соли при концентрациях в морской воде. Портативные фильтры, содержащие сетки из УНТ, могут очищать загрязненную питьевую воду. Такие сети могут электрохимически окислять органические загрязнители, бактерии и вирусы.

Мембраны CNT могут фильтровать углекислый газ из выбросов электростанций.

УНТ могут быть заполнены биологическими молекулами, помогая биотехнологии .

УНТ могут хранить от 4,2 до 65% водорода по весу. Если их можно будет производить в серийном производстве экономично, 13,2 литра (2,9 имп гал; 3,5 галлона США) CNT могли бы содержать такое же количество энергии, как 50 литров (11 имп галлонов; 13 галлонов США) бензиновый бак.

УНТ могут быть использованы для производства нанопроволок из других элементов / молекул, таких как золото или оксид цинка . Нанопроволоки, в свою очередь, можно использовать для отливки нанотрубок из других материалов, таких как нитрид галлия . Они могут иметь очень отличные от УНТ свойства - например, нанотрубки нитрида галлия являются гидрофильными , а УНТ - гидрофобными , что дает им возможность использования в органической химии.

Механический

Генераторы на основе CNT достигли частоты> 50 ГГц .

Электрические и механические свойства УНТ позволяют предположить, что они являются альтернативой традиционным электрическим приводам.

Приводы

Исключительные электрические и механические свойства углеродных нанотрубок сделали их альтернативой традиционным электрическим приводам как для микроскопических, так и для макроскопических приложений. Углеродные нанотрубки являются очень хорошими проводниками как электричества, так и тепла, а также они являются очень прочными и эластичными молекулами в определенных направлениях.

Громкоговоритель

Углеродные нанотрубки также применялись в акустике (например, в громкоговорителях и наушниках). В 2008 году было показано, что лист из нанотрубок может работать как громкоговоритель, если применяется переменный ток. Звук создается не вибрацией, а термоакустически . В 2013 году исследовательская группа Нанотехнологического исследовательского центра Tsinghua-Foxconn в Университете Цинхуа продемонстрировала термоакустический наушник из тонкой нити из углеродных нанотрубок вместе с термоакустическим чипом из тонкой нити CNT с использованием процесса изготовления, совместимого с полупроводниковой технологией на основе Si.

Ближайшее коммерческое использование включает замену пьезоэлектрических динамиков в поздравительных открытках .

Оптический

См. Дополнительные приложения в: Оптические свойства углеродных нанотрубок.

Фотолюминесценцию (флуоресценцию) углеродных нанотрубок можно использовать для наблюдения полупроводниковых однослойных углеродных нанотрубок. Карты фотолюминесценции, полученные путем регистрации излучения и сканирования энергии возбуждения, могут облегчить определение характеристик образца.

Флуоресценция нанотрубок изучается для биомедицинской визуализации и сенсоров.

Отражательная из buckypaper , полученного с «супер-роста» химического осаждения из паровой фазы составляет 0,03 или менее, потенциально позволяя прирост производительности для пироэлектрических инфракрасных детекторов .

Относящийся к окружающей среде

Восстановление окружающей среды

Наноструктурированная губка (нано-губка) из УНТ, содержащая серу и железо, более эффективна для впитывания загрязнителей воды, таких как нефть, удобрения, пестициды и фармацевтические препараты. Их магнитные свойства облегчают их извлечение после завершения работы по очистке. Сера и железо увеличивают размер губки примерно до 2 сантиметров (0,79 дюйма). Он также увеличивает пористость из-за полезных дефектов, создавая плавучесть и возможность повторного использования. Железо в форме ферроцена упрощает управление структурой и позволяет извлекать ее с помощью магнитов. Такие наногубки увеличивают абсорбцию токсичного органического растворителя дихлорбензола из воды в 3,5 раза. Губки могут впитывать растительное масло, вес которого в 150 раз превышает их первоначальный вес, а также могут впитывать моторное масло .

Ранее была создана магнитная наногубка из MWNT, легированная бором, которая могла поглощать нефть из воды. Губка была выращена как лес на субстрате путем химического осаждения из паровой фазы. Бор вставляет изгибы и изгибы трубок по мере их роста и способствует образованию ковалентных связей . Наногубки сохраняют свои эластичные свойства после 10 000 сжатий в лаборатории. Губки являются супергидрофобными , заставляя их оставаться на поверхности воды, и олеофильными, притягивая к себе масло.

Очистка воды

Было показано, что углеродные нанотрубки проявляют сильную адсорбционную способность к широкому спектру ароматических и алифатических примесей в воде из-за их большой и гидрофобной площади поверхности. Они также показали такую же адсорбционную способность, что и активированный уголь, в присутствии природного органического вещества. В результате они были предложены в качестве перспективных адсорбентов для удаления загрязняющих веществ в системах очистки воды и сточных вод.

Более того, мембраны, сделанные из массивов углеродных нанотрубок, были предложены в качестве переключаемых молекулярных сит с функциями просеивания и проницаемости, которые можно динамически активировать / деактивировать либо распределением пор по размерам (пассивный контроль), либо внешними электростатическими полями (активный контроль).

Другие приложения

Углеродные нанотрубки были реализованы в наноэлектромеханических системах, включая элементы механической памяти ( NRAM , разрабатываемые Nantero Inc. ) и наноразмерные электродвигатели (см. Наномотор или наномотор с нанотрубками ).

Модифицированные карбоксилом однослойные углеродные нанотрубки (так называемые зигзагообразные, кресельного типа) могут действовать как сенсоры атомов и ионов щелочных металлов Na, Li, K. В мае 2005 года Nanomix Inc. разместила на рынке сенсор водорода, который интегрированные углеродные нанотрубки на кремниевой платформе.

Eikos Inc из Франклина , Массачусетс и Unidym Inc. из Кремниевой долины , Калифорния, разрабатывают прозрачные, электропроводящие пленки из углеродных нанотрубок для замены оксида индия и олова (ITO). Пленки из углеродных нанотрубок значительно более механически устойчивы, чем пленки ITO, что делает их идеальными для высоконадежных сенсорных экранов и гибких дисплеев. Пригодные для печати чернила из углеродных нанотрубок на водной основе желательны для обеспечения производства этих пленок для замены ITO. Пленки с нанотрубками перспективны для использования в дисплеях компьютеров, сотовых телефонов, КПК и банкоматов .

В 2007 году был продемонстрирован нанорадио - радиоприемник, состоящий из одной нанотрубки.

Использование в датчиках растягивающего напряжения или токсичных газов было предложено Цагаракисом.

Маховик изготовлен из углеродных нанотрубок может быть вращал при чрезвычайно высокой скорости на плавающую магнитной оси в вакууме, и потенциально накапливать энергию при плотности , приближающейся к обычному ископаемому топливу. Поскольку энергия может быть очень эффективно добавлена к маховикам и снята с них в виде электричества, это может предложить способ хранения электроэнергии , что сделает электрическую сеть более эффективной, а источники переменного тока (например, ветряные турбины) более полезными для удовлетворения потребностей в энергии. Практичность этого во многом зависит от стоимости изготовления массивных, неразрушенных структур нанотрубок и интенсивности их отказов под нагрузкой.

Пружины из углеродных нанотрубок обладают потенциалом неограниченно сохранять упругую потенциальную энергию, в десять раз превышающую плотность литий-ионных аккумуляторов, с гибкой скоростью заряда и разряда и чрезвычайно высокой устойчивостью к циклическим нагрузкам.

Ультракороткие SWNT (УЗ-трубки) использовались в качестве наноразмерных капсул для доставки контрастных веществ для МРТ in vivo.

Углеродные нанотрубки обеспечивают определенный потенциал для безметаллового катализа неорганических и органических реакций. Например, кислородные группы, прикрепленные к поверхности углеродных нанотрубок, могут катализировать окислительное дегидрирование или селективное окисление . Углеродные нанотрубки, легированные азотом, могут заменить платиновые катализаторы, используемые для снижения содержания кислорода в топливных элементах . Множество вертикально ориентированных нанотрубок могут восстанавливать кислород в щелочном растворе более эффективно, чем платина, которая использовалась в таких приложениях с 1960-х годов. Здесь нанотрубки обладают дополнительным преимуществом, так как не подвергаются отравлению угарным газом.

Инженеры Университета Уэйк-Форест используют многослойные углеродные нанотрубки для повышения яркости индуцированной полем полимерной электролюминесцентной технологии, потенциально предлагая шаг вперед в поисках безопасного, приятного и высокоэффективного освещения. В этой технологии формовочная полимерная матрица излучает свет при воздействии электрического тока. В конечном итоге это могло бы дать высокоэффективное освещение без паров ртути компактных люминесцентных ламп или голубоватого оттенка некоторых люминесцентных ламп и светодиодов, что было связано с нарушением циркадного ритма.

Candida albicans использовалась в сочетании с углеродными нанотрубками (УНТ) для производства стабильных электропроводящих бионанокомпозитных тканевых материалов, которые использовались в качестве чувствительных к температуре элементов.

Компания OCSiAl, производящая SWNT, разработала серию суперконцентратов для промышленного использования одностенных УНТ в различных типах резиновых смесей и шин, при этом первоначальные испытания показали повышение твердости, вязкости, сопротивления деформации при растяжении и устойчивости к истиранию при одновременном снижении удлинения и сжатия. Три основных характеристики шин: долговечность, топливная экономичность и тяговое усилие - были улучшены с использованием SWNT. Разработка суперконцентратов каучука основывалась на более ранней работе Японского национального института передовых промышленных наук и технологий, показавшей, что каучук является жизнеспособным кандидатом для улучшения с помощью SWNT.

Введение MWNT в полимеры может улучшить огнестойкость и замедлить термическое разложение полимера. Результаты подтвердили, что комбинация MWNT и полифосфатов аммония демонстрирует синергетический эффект для улучшения огнестойкости.

Languages

In other projects