Нанотехнологии. Углеродные нанотрубки и нановолокна. Функционализация УНТ

Август 11, 2022

Главная
Физика
Нанотехнологии. Углеродные нанотрубки и нановолокна. Функционализация УНТ

Содержание

2. Нанотрубка (англ. Nanotube) — наночастица в виде полого наностержня. Нитрид-борные нанотрубки (N и В) Нанотрубки на
3. Графеновая плоскость – основа нанотрубок Строение sp2 углерода sp2 – орбитали образуют ковалентные σ-cвязи, p-орбитали образуют
4. Сумио Ииджима, 1932, японский физик. В 1991 году опубликовал статью об углеродных нанотрубках в журнале Nature
5. 1974 – 1975 гг. A. Oberlin, M. Endo, and T. Koyama. High resolution electron microscope observations
7. По строению торцевых областей: открытые, закрытые По количеству слоев: однослойные, двухслойные, многослойные ОУНТ, single-walled nanotubes -
8. Многослойные УНТ по морфологии: Модели поперечных структур многослойных нанотрубок (слева направо): «русская матрешка», шестигранная призма, свиток
9. Однослойные по расположению шестиугольников делятся на ахиральные и хиральные Способ расположения 6-ти угольников на поверхности УНТ
11. SWNTs (пучки, тяжи) MWNTs (спагетти) Надмолекулярная структура УНТ
12. Характер надмолекулярной структуры определяется величиной удельной поверхности (количество атомов, лежащих на поверхности частицы) С уменьшением размера
14. Все атомы углерода являются поверхностными → Sуд велика, может составлять до 1300 м2/г Доля поверхностных атомов
15. Механические свойства углеродных нанотрубок
17. Деформационные свойства углеродных нанотрубок а - осевое растяжение; б - осевое сжатие; в - симметричный изгиб;
18. а - схема изменений в структуре УНТ в процессе деформации растяжения; б - СЭМ изображения деформированных
19. Низкий коэффициент трения при движении внутренних слоев относительно внешних Телескопический эффект МУНТ
20. Электрические (электропроводность, антистатический эффект и др.) Зависят от: структуры (одно- многослойные УНТ), хиральности («кресло», «зигзаг»), наличия
21. Функционализация углеродных нанотрубок
23. Структура углеродных нановолокон Морфологические разновидностии УНВ: а – нановолокно "столбик монет"; б – нановолокно "елочной структуры"
25. Графен Андрей Гейм, подданный Нидерландов Константин Новоселов, подданный Великобритании Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 года
26. К. Новоселов, А. Гейм скотчем отделили монослой графена . Графен - сверхтонкий (толщиной в один атом)
30. Скачать презентацию

Слайд 2

Нанотрубка (англ. Nanotube) — наночастица в виде полого наностержня.
Нитрид-борные нанотрубки (N и

В)
Нанотрубки на основе оксидов ванадия (V2O5)
Нанотрубки из сульфида вольфрама и т.д.

Углеродные нанотрубки
(из атомов С)

Слайд 3

Графеновая плоскость –
основа нанотрубок
Строение sp2 углерода
sp2 – орбитали образуют

ковалентные
σ-cвязи, p-орбитали образуют π-cвязи

Слайд 4

Сумио Ииджима, 1932, японский физик. В 1991 году опубликовал статью об углеродных

нанотрубках в журнале Nature , которую процитировали более 37 тысяч раз. Текущий индекс Хирша = 103.

https://www.youtube.com/watch?v=J6RJlyCkxMY&list=RDQM90FCSlKhVlE&start_radio=1

Слайд 5

1974 – 1975 гг. A. Oberlin, M. Endo, and T. Koyama.

High resolution electron microscope observations of graphitized carbon fibers. Carbon, 14, 133 (1976). Получили методом конденсации паров углерода, наблюдали в микроскоп, детального исследования структуры не было проведено.
1977 г. Группа учёных Института катализа СО РАН СССР наблюдала под микроскопом образование «пустотелых углеродных структур», был предложен механизм образования и описано строение стенок.
1992 г. в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г J.A.E. Gibson. Early nanotubes? Nature, 359, 369.
1952 г. в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном Kt. Эти исследования также не были продолжены.

Слайд 6

Слайд 7

По строению торцевых областей: открытые, закрытые
По количеству слоев: однослойные, двухслойные, многослойные
ОУНТ,

single-walled nanotubes - SWNTs

MУНТ, multy-walled nanotubes - MWNTs

Слайд 8

Многослойные УНТ по морфологии:
Модели поперечных структур многослойных нанотрубок
(слева направо):

«русская матрешка», шестигранная призма, свиток

Модели строения многослойных углеродных нанотрубок
(слева направо):
«русская матрешка», «рулон», «папье-маше»

Слайд 9

Однослойные по расположению шестиугольников делятся на ахиральные и хиральные
Способ расположения

6-ти угольников на поверхности УНТ относительно продольной оси нанотрубки с:
а, б – ахиральные структуры «кресло» и «зигзаг» соответственно, в – хиральная структура

Слайд 10

Слайд 11

SWNTs (пучки, тяжи)
MWNTs (спагетти)
Надмолекулярная структура УНТ

Слайд 12

Характер надмолекулярной структуры определяется величиной
удельной поверхности (количество атомов, лежащих на

поверхности частицы)

С уменьшением размера частицы доля атомов,
лежащих на поверхности частиц резко увеличивается

Слайд 13

Слайд 14

Все атомы углерода являются
поверхностными → Sуд велика,
может составлять до 1300

м2/г

Доля поверхностных атомов углерода
с ростом числа слоев заметно уменьшается:
двухслойные - 66,7 %,
десятислойные - 18,2 %
→ Sуд снижается,
может составлять
90 – 120 м2/г

Высокая склонность к
агломерированию в агрегаты и
агломераты

Слайд 15

Механические свойства углеродных нанотрубок

Слайд 16

Слайд 17

Деформационные свойства углеродных нанотрубок
а - осевое растяжение; б - осевое сжатие;
в

- симметричный изгиб;
г - радиальное сжатие; д - упругое сжатие;
е - эйлеровская деформация

Слайд 18

а - схема изменений в структуре УНТ в процессе деформации растяжения;
б

- СЭМ изображения деформированных образцов УНТ-резины

Деформационные свойства углеродных нанотрубок

Массив из УНТ:
одностенные (22 %)
двухстенные (68 %)
трехстенные (10 %)
длина 4,5 мм,
степень чистоты 99,9 %

Слайд 19

Низкий коэффициент трения при движении внутренних слоев относительно внешних
Телескопический эффект МУНТ

Слайд 20

Электрические (электропроводность, антистатический эффект и др.)
Зависят от: структуры (одно- многослойные УНТ),

хиральности («кресло», «зигзаг»), наличия дефектов, примесей, содержания УНТ в гетерогенной системе.

Тепловые (теплопроводность, коэффициент линейного расширения, теплоемкость и др.)
Зависят от: структуры (одно- многослойные УНТ), геометрических параметров (длина, диаметр), наличия дефектов, примесей в материале.

Оптические (абсорбция электромагнитного излучения, фотолюминесценция и др.)
Зависят от: структуры УНТ, наличия дефектов, примесей в материале.

Сорбционные (адсорбция низко- и высокомолекулярных соединений, капиллярный эффект и др.)
Зависят от: величины удельной поверхности, наличия дефектов, степени агломерирования.

Специальные свойства УНТ

https://www.youtube.com/watch?v=M4U-K7ZTi14&t=9s

Слайд 21

Функционализация углеродных нанотрубок

Слайд 22

Слайд 23

Структура углеродных нановолокон
Морфологические разновидностии УНВ:
а – нановолокно "столбик монет";

б – нановолокно "елочной структуры" (стопка конусов); в – нанотрубка "стопка чашек" ("ламповые абажуры");
г – нанотрубка "русская матрешка"; д – бамбукообразное нановолокно;
е – нановолокно со сферическими секциями; ж – нановолокно с полиэдрическими секциями; з – “рыбий хребет”

а б в г д е ж з

Слайд 24

Слайд 25

Графен
Андрей
Гейм, подданный
Нидерландов
Константин
Новоселов, подданный
Великобритании
Лауреаты Нобелевской премии по

физике 2010 года «За новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена».
Бывшие советские ученые, выпускники МФТИ.

Слайд 26

К. Новоселов, А. Гейм скотчем отделили
монослой графена .
Графен - сверхтонкий

(толщиной в один атом) слой из атомов углерода, является самым тонким и одновременно самым прочным.

10 nm gold nanoparticle on a graphene film. Gold atoms are visible

Слайд 27

Слайд 28

Нанотехнологии. Углеродные нанотрубки и нановолокна. Функционализация УНТ

Содержание

Нанотрубка (англ. Nanotube) — наночастица в виде полого наностержня. Нитрид-борные нанотрубки (N и

Графеновая плоскость – основа нанотрубок Строение sp2 углеродаsp2 – орбитали образуют

Сумио Ииджима, 1932, японский физик. В 1991 году опубликовал статью об углеродных

1974 – 1975 гг. A. Oberlin, M. Endo, and T. Koyama.

По строению торцевых областей: открытые, закрытыеПо количеству слоев: однослойные, двухслойные, многослойныеОУНТ,

Многослойные УНТ по морфологии: Модели поперечных структур многослойных нанотрубок (слева направо):

Однослойные по расположению шестиугольников делятся на ахиральные и хиральные Способ расположения

SWNTs (пучки, тяжи)MWNTs (спагетти)Надмолекулярная структура УНТ

Характер надмолекулярной структуры определяется величиной удельной поверхности (количество атомов, лежащих на

Все атомы углерода являютсяповерхностными → Sуд велика, может составлять до 1300

Механические свойства углеродных нанотрубок

Деформационные свойства углеродных нанотрубока - осевое растяжение; б - осевое сжатие;в

а - схема изменений в структуре УНТ в процессе деформации растяжения;б

Низкий коэффициент трения при движении внутренних слоев относительно внешнихТелескопический эффект МУНТ

Электрические (электропроводность, антистатический эффект и др.)Зависят от: структуры (одно- многослойные УНТ),