Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Carbon Nanotubes (CNTs) sind Allotrope von Kohlenstoff mit zylindrischer Nanostruktur. Diese zylindrischen Kohlenstoffmoleküle haben ungewöhnliche Eigenschaften, die für die Nanotechnologie, Elektronik, Optik und andere Bereiche der Materialwissenschaft und -technologie von Wert sind. Aufgrund der außergewöhnlichen Festigkeit und Steifigkeit des Materials wurden Nanoröhren mit einem Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von bis zu 132.000.000: 1 konstruiert, was deutlich größer ist als bei jedem anderen Material.

Darüber hinaus finden Kohlenstoff-Nanoröhren aufgrund ihrer außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit, ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften Anwendung als Zusatz zu verschiedenen Strukturmaterialien. Zum Beispiel bilden Nanoröhren einen winzigen Teil des Materials in einigen Baseballschlägern (hauptsächlich Kohlefasern), Golfschlägern, Autoteilen oder Damaststahl.

Nanotubes sind Mitglieder der Fullerenstrukturfamilie. Ihr Name leitet sich von ihrer langen, hohlen Struktur ab, deren Wände aus ein Atom dicken Kohlenstoffplatten (Graphen) bestehen. Diese Platten werden unter spezifischen und diskreten (“chiralen”) Winkeln gewalzt, und die Kombination aus Rollwinkel und Radius bestimmt die Eigenschaften der Nanoröhren. Zum Beispiel, ob die einzelne Nanoröhrenschale ein Metall oder ein Halbleiter ist. Nanoröhren werden als einwandige Nanoröhren (SWNTs) und mehrwandige Nanoröhren (MWNTs) bezeichnet. Einzelne Nanoröhrchen richten sich auf natürliche Weise in “Seilen” aus, die durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden, insbesondere durch Pi-Stacking.

Die angewandte Quantenchemie, insbesondere die Orbitalhybridisierung, beschreibt am besten die chemische Bindung in Nanoröhren. Die chemische Bindung von Nanoröhren umfasst vollständig sp2-Hybridkohlenstoffatome. Diese Bindungen, die denen von Graphit ähnlich sind und stärker sind als diejenigen in Alkanen und Diamanten (die sp3-Hybridkohlenstoffatome verwenden), verleihen Nanoröhren ihre einzigartige Stärke.

Arten von Kohlenstoffnanoröhren und verwandten Strukturen
In einigen Begriffen, die Kohlenstoffnanoröhren in der wissenschaftlichen Literatur beschreiben, gibt es keinen Konsens: Sowohl “wall” als auch “walled” werden in Kombination mit “single”, “double”, “triple” oder “multi” und dem Buchstaben C verwendet wird in der Abkürzung oft weggelassen; zum Beispiel eine mehrwandige Kohlenstoffnanoröhre (MWNT).

Einwandig

wobei a = 0,246 nm ist.

SWNTs sind eine wichtige Variante der Kohlenstoffnanoröhre, da sich die meisten ihrer Eigenschaften signifikant mit den (n, m) -Werten ändern und diese Abhängigkeit nicht monoton ist (siehe Kataura-Diagramm). Insbesondere kann ihre Bandlücke von null bis etwa 2 eV variieren und ihre elektrische Leitfähigkeit kann metallisches oder halbleitendes Verhalten zeigen. Einwandige Nanoröhren sind wahrscheinlich Kandidaten für die Miniaturisierung von Elektronik. Der grundlegendste Baustein dieser Systeme ist der elektrische Draht, und SWNTs mit Durchmessern in der Größenordnung von Nanometern können hervorragende Leiter sein. Eine nützliche Anwendung von SWNTs liegt in der Entwicklung der ersten intermolekularen Feldeffekttransistoren (FET). Das erste intermolekulare Logikgatter, das SWCNT-FETs verwendet, wurde 2001 hergestellt. Ein Logikgatter erfordert sowohl einen p-FET als auch einen n-FET. Da SWNTs andernfalls p-FETs sind, wenn sie Sauerstoff und n-FETs ausgesetzt sind, ist es möglich, die Hälfte eines SWNT Sauerstoff auszusetzen und die andere Hälfte davor zu schützen. Die resultierende SWNT fungiert als nicht-logisches Gate mit FETs vom p- und n-Typ im gleichen Molekül.

Die Preise für einwandige Nanoröhrchen sanken von 2000 US-Dollar pro Gramm im Jahr 2000 auf Einzelhandelspreise von etwa 50 US-Dollar pro Gramm 40–60 Gew .-% SWNTs ab März 2010. Ab 2016 betrug der Einzelhandelspreis der produzierten Produkte 75 Gew .-% SWNTs waren 2 $ pro Gramm, billig genug für die breite Verwendung. Laut dem Global Market for Carbon Nanotubes-Bericht wird davon ausgegangen, dass SWNTs bis 2020 große Auswirkungen auf Elektronikanwendungen haben werden.

Mehrwandig
Mehrwandige Nanoröhren (MWNTs) bestehen aus mehreren gewalzten Schichten (konzentrischen Röhren) aus Graphen. Es gibt zwei Modelle, mit denen die Strukturen mehrwandiger Nanoröhren beschrieben werden können. Im Russian Doll-Modell sind Graphitplatten in konzentrischen Zylindern angeordnet, z. B. eine (0,8) einwandige Nanoröhre (SWNT) innerhalb einer größeren (0,17) einwandigen Nanoröhre. Im Pergamentmodell wird ein einzelner Graphitbogen um sich selbst herum gerollt, der einer Pergamentrolle oder einer gerollten Zeitung ähnelt. Der Abstand zwischen den Schichten in mehrwandigen Nanoröhren liegt nahe dem Abstand zwischen den Graphenschichten in Graphit, etwa 3,4 Å. Die russische Puppenstruktur wird häufiger beobachtet. Seine einzelnen Hüllen können als SWNTs bezeichnet werden, die metallisch oder halbleitend sein können. Aufgrund der statistischen Wahrscheinlichkeit und der Einschränkungen bei den relativen Durchmessern der einzelnen Röhren ist eine der Hüllen und somit die gesamte MWNT normalerweise ein Metall ohne Spalt.

Doppelwandige Kohlenstoffnanoröhren (DWNTs) bilden eine besondere Klasse von Nanoröhren, da ihre Morphologie und ihre Eigenschaften denen von SWNTs ähneln, sie sind jedoch resistenter gegen Chemikalien. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn chemische Funktionen auf die Oberfläche der Nanoröhrchen (Funktionalisierung) gepfropft werden müssen, um der CNT Eigenschaften zu verleihen. Die kovalente Funktionalisierung von SWNTs bricht einige C = C-Doppelbindungen auf und hinterlässt “Löcher” in der Struktur der Nanoröhre. Dadurch werden sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Eigenschaften verändert. Bei DWNTs wird nur die Außenwand geändert. Die DWNT-Synthese im Gramm-Maßstab wurde erstmals 2003 durch die CCVD-Technik aus der selektiven Reduktion von Oxidlösungen in Methan und Wasserstoff vorgeschlagen.

Die teleskopische Bewegungsfähigkeit der Innenschalen und ihre einzigartigen mechanischen Eigenschaften ermöglichen die Verwendung mehrwandiger Nanoröhrchen als bewegliche Hauptarme in kommenden nanomechanischen Geräten. [Spekulation?] Rückzugskraft, die bei teleskopischen Bewegungen auftritt, die durch die Lennard-Jones-Wechselwirkung zwischen Schalen verursacht werden und sein Wert beträgt etwa 1,5 nN.

Kreuzungen und Vernetzung
Übergänge zwischen zwei oder mehr Nanoröhren wurden theoretisch ausführlich diskutiert. Solche Übergänge werden häufig in Proben beobachtet, die durch Bogenentladung sowie durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden. Die elektronischen Eigenschaften solcher Übergänge wurden zuerst von Lambin et al. Theoretisch betrachtet, wobei darauf hingewiesen wurde, dass eine Verbindung zwischen einem metallischen Rohr und einem halbleitenden Rohr einen nanoskaligen Heteroübergang darstellen würde. Eine solche Verbindung könnte daher eine Komponente einer elektronischen Schaltung auf Nanoröhrenbasis bilden. Das nebenstehende Bild zeigt eine Verbindung zwischen zwei mehrwandigen Nanotubes. Verbindungen zwischen Nanoröhren und Graphen wurden theoretisch betrachtet, aber experimentell nicht umfassend untersucht. Solche Verbindungen bilden die Basis für säulenförmiges Graphen, bei dem parallele Graphenbleche durch kurze Nanoröhrchen getrennt werden. Pillared Graphen repräsentiert eine Klasse dreidimensionaler Kohlenstoffnanoröhrenarchitekturen.

In jüngster Zeit haben mehrere Studien die Aussicht auf Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren als Bausteine ​​für die Herstellung von dreidimensionalen makroskopischen (& gt; 100 nm in allen drei Dimensionen) Ganzkohlenstoffvorrichtungen hervorgehoben. Lalwani et al. berichteten über ein neues radikalisch initiiertes thermisches Vernetzungsverfahren zur Herstellung makroskopischer, freistehender, poröser Vollcarbon-Gerüste unter Verwendung ein- und mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhrchen als Bausteine. Diese Gerüste verfügen über makro-, mikro- und nanostrukturierte Poren, und die Porosität kann für spezifische Anwendungen angepasst werden. Diese 3D-Vollcarbon-Gerüste / -Architekturen können für die Herstellung von Energiespeichern der nächsten Generation, Superkondensatoren, Feldemissionstransistoren, Hochleistungskatalyse, Photovoltaik sowie biomedizinischen Geräten und Implantaten verwendet werden.

Andere Morphologien
Kohlenstoffnanobuds sind ein neu geschaffenes Material, das zwei zuvor entdeckte Kohlenstoffallotrope kombiniert: Kohlenstoffnanoröhrchen und Fullerene. In diesem neuen Material sind Fulleren-artige “Knospen” kovalent an die äußeren Seitenwände der darunter liegenden Kohlenstoffnanoröhre gebunden. Dieses Hybridmaterial hat nützliche Eigenschaften sowohl für Fullerene als auch für Kohlenstoffnanoröhren. Insbesondere haben sie sich als außergewöhnlich gute Feldemitter erwiesen. In Verbundmaterialien können die angehefteten Fullerenmoleküle als molekulare Anker fungieren, die ein Verrutschen der Nanoröhren verhindern und somit die mechanischen Eigenschaften des Verbundstoffs verbessern.

Eine Kohlenstoffschüssel ist ein neuartiges Hybridkohlenstoffmaterial, das Fulleren in einer Kohlenstoffnanoröhre einfängt. Es kann bei Erwärmung und Bestrahlung interessante magnetische Eigenschaften besitzen. Es kann auch als Oszillator bei theoretischen Untersuchungen und Vorhersagen verwendet werden.

In der Theorie ist ein Nanotorus eine Kohlenstoff-Nanoröhre, die zu einem Torus (Donutform) gebogen ist. Es wird vorausgesagt, dass Nanotori viele einzigartige Eigenschaften haben, wie z. B. magnetische Momente, die 1000-fach größer sind als zuvor für bestimmte spezifische Radien erwartet. Eigenschaften wie magnetisches Moment, thermische Stabilität usw. variieren stark in Abhängigkeit vom Radius des Torus und dem Radius des Rohres.

Graphenierte Kohlenstoffnanoröhrchen sind ein relativ neuer Hybrid, der Graphitblätter an den Seitenwänden von mehrwandigen CNTs oder Bambus-CNTs kombiniert. Die Blattdichte kann in Abhängigkeit von den Abscheidungsbedingungen (z. B. Temperatur und Zeit) variieren, wobei ihre Struktur von wenigen Graphenschichten (<10) bis zu dickeren, graphitartigeren Schichten reicht. Der grundlegende Vorteil einer integrierten Graphen-CNT-Struktur ist das dreidimensionale Gerüst der CNTs mit großer Oberfläche in Verbindung mit der hohen Kantendichte von Graphen. Die Ablagerung einer hohen Dichte von Graphenfolien entlang der Länge von ausgerichteten CNTs kann die Gesamtladungskapazität pro Einheit der Nennfläche im Vergleich zu anderen Kohlenstoffnanostrukturen signifikant erhöhen. Cup-Stacked-Carbon-Nanotubes (CSCNTs) unterscheiden sich von anderen Quasi-1D-Kohlenstoffstrukturen, die sich normalerweise als quasi-metallische Leiter von Elektronen verhalten. CSCNTs zeigen halbleitendes Verhalten aufgrund der Stapelmikrostruktur der Graphenschichten. Extreme Kohlenstoffnanoröhren Die Beobachtung, dass die längsten bisher gewachsenen Kohlenstoffnanoröhrchen über 1/2 m (550 mm lang) liegen, wurde im Jahr 2013 berichtet. Diese Nanoröhrchen wurden auf Siliziumsubstraten unter Verwendung eines verbesserten chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (CVD-Verfahren) gezüchtet und repräsentieren elektrisch gleichförmige Anordnungen von einzelnen -wandige Kohlenstoffnanoröhren. Die kürzeste Kohlenstoffnanoröhre ist die organische Verbindung Cycloparaphenylen, die 2008 synthetisiert wurde. Die dünnste Kohlenstoffnanoröhre ist der CNT-Sessel (2,2) mit einem Durchmesser von 0,3 nm. Diese Nanoröhre wurde in einer mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhre gezüchtet. Die Zuordnung des Kohlenstoffnanoröhrchentyps erfolgte durch eine Kombination aus hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM), Raman-Spektroskopie und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die dünnste freistehende einwandige Kohlenstoffnanoröhre hat einen Durchmesser von etwa 0,43 nm. Die Forscher schlugen vor, dass es sich um (5,1) oder (4,2) SWCNT handeln kann, der genaue Typ der Kohlenstoffnanoröhre bleibt jedoch fraglich. (3,3) -, (4,3) - und (5,1) -Kohlenstoffnanoröhren (alle mit einem Durchmesser von etwa 0,4 nm) wurden unter Verwendung von Aberrationskorrigierter hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie in doppelwandigen CNTs eindeutig identifiziert. Die höchste Dichte an CNTs wurde 2013 erreicht. Sie wurde auf einer mit Titan beschichteten Kupferoberfläche gezüchtet, die mit Co-Katalysatoren Kobalt und Molybdän bei niedrigeren als den üblichen Temperaturen von 450 ° C beschichtet wurde. Die Röhren hatten im Durchschnitt eine Höhe von 380 nm und eine Massendichte von 1,6 g cm-3. Das Material zeigte eine ohmsche Leitfähigkeit (niedrigster Widerstand ~ 22 kΩ). Eigenschaften Mechanisch Kohlenstoffnanoröhrchen sind die stärksten und steifsten Materialien, die je in Bezug auf Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul entdeckt wurden. Diese Stärke ergibt sich aus den kovalenten sp2-Bindungen zwischen den einzelnen Kohlenstoffatomen. Im Jahr 2000 wurde eine mehrwandige Kohlenstoffnanoröhre mit einer Zugfestigkeit von 63 Gigapascal (9.100.000 psi) getestet. (Zur Veranschaulichung bedeutet dies, dass die Fähigkeit besteht, eine Spannung mit einem Gewicht von 6.422 kg (62.980 N; 14,160 lbf) an einem Kabel mit einem Querschnitt von 1 Quadratmillimeter (0,0016 sq in) auszuhalten.) Weitere Untersuchungen, wie z Wie bereits im Jahr 2008 bekannt, weisen einzelne CNT-Schalen Stärken von bis zu 100 Gigapascal (15.000.000 psi) auf, was mit quanten- / atomistischen Modellen übereinstimmt. Da Kohlenstoff-Nanoröhrchen für einen Festkörper eine geringe Dichte von 1,3 bis 1,4 g / cm3 haben, ist ihre spezifische Festigkeit von bis zu 48.000 kN · m · kg · 1 die beste der bekannten Materialien, verglichen mit 154 kN • m • von Kohlenstoffstahl. kg − 1. Obwohl die Festigkeit einzelner CNT-Hüllen extrem hoch ist, führen schwache Scherwechselwirkungen zwischen benachbarten Hüllen und Rohren zu einer erheblichen Verringerung der effektiven Festigkeit von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren und Kohlenstoff-Nanoröhren-Bündeln auf nur wenige GPa. Diese Einschränkung wurde kürzlich durch Anwenden einer Hochenergie-Elektronenbestrahlung behoben, die die Innenhüllen und -röhren vernetzt und die Festigkeit dieser Materialien effektiv auf ~ 60 GPa für mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren und ~ 17 GPa für doppelwandige Kohlenstoffnanoröhrenbündel erhöht . CNTs sind bei Kompression nicht annähernd so stark. Aufgrund ihrer hohlen Struktur und ihres hohen Seitenverhältnisses neigen sie zum Einknicken, wenn sie unter Druck-, Torsions- oder Biegebeanspruchung stehen. Andererseits gab es Anzeichen dafür, dass sie in radialer Richtung eher weich sind. Die Beobachtung der radialen Elastizität des ersten Transmissionselektronenmikroskops legte nahe, dass sogar die Van-der-Waals-Kräfte zwei benachbarte Nanoröhren verformen können. Später wurden Nanoindentationen mit einem Rasterkraftmikroskop von mehreren Gruppen durchgeführt, um die radiale Elastizität von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen quantitativ zu messen, und das Rast- / Kontaktmodus-Rasterkraftmikroskop wurde auch an einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen durchgeführt. Der Young-Modul in der Größenordnung von mehreren GPa zeigte, dass CNTs in radialer Richtung sehr weich sind. Elektrisch Im Gegensatz zu Graphen, einem zweidimensionalen Halbmetall, sind Kohlenstoffnanoröhrchen entlang der Rohrachse entweder metallisch oder halbleitend. Für eine gegebene (n, m) Nanoröhre ist die Nanoröhre metallisch, wenn n = m ist; ist n - m ein Vielfaches von 3 und n ≠ m und nm ≠ 0, dann ist die Nanoröhre quasi metallisch mit einer sehr kleinen Bandlücke, ansonsten ist die Nanoröhre ein gemäßigter Halbleiter. Daher sind alle Nanoröhrchen (n = m) im Sessel metallisch und die Nanoröhren (6,4), (9,1) usw. sind halbleitend. Kohlenstoffnanoröhrchen sind nicht halbmetallisch, da der entartete Punkt (der Punkt, an dem die π-Bindungsbande auf die π * -Bindung trifft, an dem die Energie auf Null geht) vom K-Punkt in der Brillouin-Zone leicht verschoben wird aufgrund der Krümmung der Röhrenoberfläche, wodurch eine Hybridisierung zwischen den σ * - und π * -Antibindungsbanden bewirkt wird, wodurch die Banddispersion modifiziert wird. Die Regel bezüglich des Verhaltens von Metall gegenüber Halbleitern hat Ausnahmen, da Krümmungseffekte in Rohren mit kleinem Durchmesser die elektrischen Eigenschaften stark beeinflussen können. Somit ist ein (5,0) SWCNT, der eigentlich halbleitend sein sollte, den Berechnungen zufolge metallisch. Ebenso haben Zickzack- und chirale SWCNTs mit kleinen Durchmessern, die metallisch sein sollten, eine endliche Lücke (Sessel-Nanoröhren bleiben metallisch). Theoretisch können metallische Nanoröhren eine elektrische Stromdichte von 4 × 10 9 A / cm 2 tragen, die mehr als 1000-mal größer ist als die von Metallen wie Kupfer, wobei für Kupferverbindungen die Stromdichten durch Elektromigration begrenzt sind. Kohlenstoffnanoröhrchen werden daher als Verbindungselemente und zur Verbesserung der Leitfähigkeit in Verbundwerkstoffen untersucht, und viele Gruppen versuchen, hochleitende elektrische Drähte zu kommerzialisieren, die aus einzelnen Kohlenstoffnanoröhren zusammengesetzt sind. Es gibt jedoch erhebliche Herausforderungen, die zu überwinden sind, wie etwa die unerwünschte Stromsättigung unter Spannung, die viel widerstandsfähigeren Übergänge zwischen Nanoröhre und Nanoröhre und Verunreinigungen, die alle die elektrische Leitfähigkeit der makroskopischen Nanoröhrendrähte im Vergleich zu Größenordnungen herabsetzen zur Leitfähigkeit der einzelnen Nanoröhren. Elektronen breiten sich aufgrund ihres nanoskaligen Querschnitts nur entlang der Röhrenachse aus. Daher werden Kohlenstoffnanoröhrchen häufig als eindimensionale Leiter bezeichnet. Die maximale elektrische Leitfähigkeit einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre beträgt 2G0, wobei G0 = 2e2 / h die Leitfähigkeit eines einzelnen ballistischen Quantenkanals ist. Aufgrund der Rolle des π-Elektronensystems bei der Bestimmung der elektronischen Eigenschaften von Graphen unterscheidet sich die Dotierung in Kohlenstoffnanoröhren von derjenigen von kristallinen Halbleitern aus derselben Gruppe des Periodensystems (z. B. Silizium). Die graphitische Substitution von Kohlenstoffatomen in der Nanoröhrenwand durch Bor- oder Stickstoffdotiermittel führt zu p-Typ- bzw. n-Typ-Verhalten, wie dies in Silizium zu erwarten wäre. Einige nicht substituierte (interkalierte oder adsorbierte) Dotierstoffe, die in eine Kohlenstoffnanoröhre eingebracht werden, wie Alkalimetalle sowie elektronenreiche Metallocene, führen jedoch zu einer n-Leitung, da sie Elektronen an das π-Elektronensystem der Nanoröhre abgeben. Im Gegensatz dazu fungieren π-Elektronenakzeptoren wie FeCl3 oder elektronenarme Metallocene als Dotierstoffe vom p-Typ, da sie π-Elektronen vom oberen Ende des Valenzbandes wegziehen. Über intrinsische Supraleitung wurde berichtet, obwohl andere Experimente dies nicht belegten, so dass die Behauptung in Frage gestellt wurde. Optisch Kohlenstoffnanoröhren haben nützliche Absorptions-, Photolumineszenz- (Fluoreszenz-) und Raman-Spektroskopie-Eigenschaften. Spektroskopische Verfahren bieten die Möglichkeit, relativ große Mengen an Kohlenstoffnanoröhren schnell und zerstörungsfrei zu charakterisieren. Aus industrieller Sicht besteht eine große Nachfrage nach einer solchen Charakterisierung: Zahlreiche Parameter der Nanoröhrchen-Synthese können absichtlich oder unabsichtlich geändert werden, um die Qualität der Nanoröhren zu verändern. Wie nachstehend gezeigt, ermöglichen optische Absorptions-, Photolumineszenz- und Raman-Spektroskopien eine schnelle und zuverlässige Charakterisierung dieser "Nanoröhrenqualität" hinsichtlich des Kohlenstoffgehalts außerhalb der Röhren, der Struktur (Chiralität) der erzeugten Nanoröhren und struktureller Defekte. Diese Merkmale bestimmen nahezu alle anderen Eigenschaften wie optische, mechanische und elektrische Eigenschaften. Kohlenstoffnanoröhrchen sind einzigartige "eindimensionale Systeme", die als gewalzte Einzelbleche aus Graphit (oder genauer Graphen) betrachtet werden können. Dieses Rollen kann unter verschiedenen Winkeln und Krümmungen erfolgen, was zu unterschiedlichen Eigenschaften der Nanoröhrchen führt. Der Durchmesser variiert typischerweise im Bereich von 0,4 bis 40 nm (dh "nur" ~ 100-fach), die Länge kann jedoch um das 100.000.000-fache von 0,14 nm bis 55,5 cm variieren. Das Aspektverhältnis der Nanoröhren oder das Verhältnis von Länge zu Durchmesser kann bis zu 132.000.000: 1 betragen, was von keinem anderen Material erreicht wird. Folglich sind alle Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren im Vergleich zu denen von typischen Halbleitern extrem anisotrop (richtungsabhängig) und abstimmbar. Während mechanische, elektrische und elektrochemische (Superkondensator-) Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren gut etabliert sind und unmittelbare Anwendung finden, ist die praktische Anwendung der optischen Eigenschaften noch unklar. Die zuvor erwähnte Abstimmbarkeit von Eigenschaften ist möglicherweise in der Optik und in der Photonik nützlich. Insbesondere wurden im Labor Leuchtdioden (LEDs) und Fotodetektoren auf Basis einer einzigen Nanoröhre hergestellt. Ihr Alleinstellungsmerkmal ist nicht die noch relativ geringe Effizienz, sondern die enge Selektivität in der Wellenlänge der Emission und Detektion von Licht und die Möglichkeit der Feinabstimmung durch die Nanoröhrenstruktur. Darüber hinaus wurden Bolometer- und optoelektronische Speichervorrichtungen an Ensembles einwandiger Kohlenstoffnanoröhren realisiert. Kristallographische Defekte beeinflussen auch die elektrischen Eigenschaften der Röhre. Ein übliches Ergebnis ist eine erniedrigte Leitfähigkeit durch den defekten Bereich der Röhre. Ein Defekt in sesselartigen Röhren (der Elektrizität leiten kann) kann dazu führen, dass der umgebende Bereich halbleitend wird, und einzelne einatomige Leerstellen induzieren magnetische Eigenschaften. Thermal Es wird erwartet, dass alle Nanoröhren sehr gute Wärmeleiter entlang der Röhre sind und eine Eigenschaft aufweisen, die als "ballistische Leitung" bekannt ist, aber gute Isolatoren seitlich der Röhrenachse. Messungen zeigen, dass eine einzelne SWNT eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur entlang ihrer Achse von etwa 3500 W • m − 1 • K − 1 hat. Vergleichen Sie dies mit Kupfer, einem Metall, das für seine gute Wärmeleitfähigkeit bekannt ist und 385 W • m − 1 • K − 1 überträgt. Ein einzelner SWNT hat eine Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur über seine Achse (in radialer Richtung) von etwa 1,52 W · m-1 · K-1, die etwa so wärmeleitend ist wie der Boden. Makroskopische Anordnungen von Nanoröhren wie Filmen oder Fasern haben bisher 1500 W • m − 1 • K − 1 erreicht. Die Temperaturstabilität von Kohlenstoffnanoröhren wird im Vakuum auf bis zu 2800 ° C und in Luft auf etwa 750 ° C geschätzt. Kristallographische Defekte beeinflussen die thermischen Eigenschaften der Röhre stark. Solche Defekte führen zu Phononenstreuung, was wiederum die Relaxationsrate der Phononen erhöht. Dies reduziert den mittleren freien Weg und verringert die Wärmeleitfähigkeit von Nanoröhrenstrukturen. Phononentransportsimulationen weisen darauf hin, dass Substitutionsdefekte wie Stickstoff oder Bor hauptsächlich zu einer Streuung der optischen Hochfrequenzphononen führen. Größere Defekte wie Stone Wales-Defekte verursachen jedoch Phononenstreuung über einen breiten Frequenzbereich, was zu einer stärkeren Verringerung der Wärmeleitfähigkeit führt. Synthese Es wurden Techniken entwickelt, um Nanoröhrchen in beträchtlichen Mengen herzustellen, einschließlich Bogenentladung, Laserablation, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und Hochdruck-Kohlenmonoxid-Disproportionierung (HiPCO). Unter diesen Bogenentladungen sind Laserablation, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) chargenweise und HiPCO ist Gasphasen-kontinuierlicher Prozess. Die meisten dieser Prozesse finden im Vakuum oder mit Prozessgasen statt. Die CVD-Wachstumsmethode ist beliebt, da sie eine hohe Menge liefert und einen bestimmten Grad an Kontrolle über Durchmesser, Länge und Morphologie hat. Mit teilchenförmigen Katalysatoren können mit diesen Methoden große Mengen an Nanoröhren synthetisiert werden, aber das Erreichen der Wiederholbarkeit wird zu einem Hauptproblem beim CVD-Wachstum. Die Fortschritte des HiPCO-Prozesses in der Katalyse und das kontinuierliche Wachstum machen CNTs wirtschaftlicher. Das HiPCO-Verfahren hilft bei der Herstellung von hochreinen einwandigen Kohlenstoffnanoröhren in höherer Menge. Der HiPCO-Reaktor arbeitet bei hohen Temperaturen von 900-1100 ° C und Hochdruck ~ 30-50 bar. Es verwendet Kohlenmonoxid als Kohlenstoffquelle und Nickel / Eisenpentakarbonyl als Katalysator. Dieser Katalysator dient als Keimbildungsstelle für das Wachstum der Nanoröhren. Vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren-Arrays werden auch durch thermisches chemisches Aufdampfen gezüchtet. Ein Substrat (Quarz, Silizium, Edelstahl usw.) wird mit einer katalytischen Metallschicht (Fe, Co, Ni) beschichtet. Typischerweise besteht diese Schicht aus Eisen und wird durch Zerstäuben mit einer Dicke von 1 bis 5 nm abgeschieden. Eine 10 bis 50 nm lange Unterschicht aus Aluminiumoxid wird häufig zuerst auf dem Substrat abgelegt. Dies verleiht eine kontrollierbare Benetzung und gute Grenzflächeneigenschaften. Wenn das Substrat auf die Wachstumstemperatur (~ 700 ° C) erhitzt wird, bricht der durchgehende Eisenfilm in kleine Inseln auf. Jede Insel bildet dann eine Kohlenstoff-Nanoröhre. Die aufgesputterte Dicke bestimmt die Inselgröße und diese wiederum bestimmt den Durchmesser der Nanoröhre. Dünnere Eisenschichten treiben den Durchmesser der Inseln nach unten und den Durchmesser der gewachsenen Nanoröhren nach unten. Die Zeit, die die Metallinsel bei der Wachstumstemperatur sitzen kann, ist begrenzt, da sie mobil ist und zu größeren (aber weniger) Inseln übergehen kann. Durch Tempern bei der Wachstumstemperatur verringert sich die Stangendichte (Anzahl der CNT / mm2), während der Katalysatordurchmesser erhöht wird. Die so hergestellten Kohlenstoff-Nanoröhren haben immer Verunreinigungen wie andere Formen von Kohlenstoff (amorpher Kohlenstoff, Fulleren usw.) und nicht kohlenstoffhaltige Verunreinigungen (Metallkerne, die als Katalysator verwendet werden). Diese Verunreinigungen müssen entfernt werden, um die Kohlenstoffnanoröhrchen in Anwendungen nutzen zu können. Metrologie Für Kohlenstoffnanoröhrchen stehen zahlreiche Metrologiestandards und Referenzmaterialien zur Verfügung. Für einwandige Kohlenstoffnanoröhren beschreibt ISO / TS 10868 ein Messverfahren für Durchmesser, Reinheit und Anteil metallischer Nanoröhren durch optische Absorptionsspektroskopie, während ISO / TS 10797 und ISO / TS 10798 Methoden zur Charakterisierung der Morphologie und der Elementzusammensetzung festlegen Einwandiger Kohlenstoffnanoröhren unter Verwendung von Transmissionselektronenmikroskopie bzw. Rasterelektronenmikroskopie, gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektrometrieanalyse. Für mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen identifiziert ISO / TR 10929 die grundlegenden Eigenschaften und den Gehalt an Verunreinigungen, während ISO / TS 11888 die Morphologie unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Viskosimetrie und Lichtstreuungsanalyse beschreibt. ISO / TS 10798 gilt auch für mehrwandige Kohlenstoffnanoröhrchen. Chemische Modifikation Kohlenstoffnanoröhren können funktionalisiert werden, um gewünschte Eigenschaften zu erreichen, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können. Die zwei Hauptmethoden der Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhrchen sind kovalente und nichtkovalente Modifikationen. Aufgrund ihrer offensichtlichen hydrophoben Natur neigen Kohlenstoff-Nanoröhren dazu, sich zu agglomerieren, was deren Dispersion in Lösungsmitteln oder viskosen Polymerschmelzen behindert. Die sich daraus ergebenden Nanoröhren bündeln oder aggregieren die mechanische Leistung des fertigen Verbundstoffs. Die Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhrchen kann modifiziert werden, um die Hydrophobizität zu reduzieren und die Grenzflächenhaftung an einem Massenpolymer durch chemische Bindung zu verbessern. Die Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhrchen kann auch durch CVD-Verfahren mit Fluorkohlenwasserstoffen, Kohlenwasserstoff- oder Halogenfluorkohlenwasserstoffen durch Erhitzen fluoriert oder halogenfluoriert werden, während ein solches Kohlenstoffmaterial mit fluororganischer Substanz in Kontakt gebracht wird, um teilweise fluorierte Kohlenstoffe (sogenannte Fluocar-Materialien) mit gepfropftem (Halogen) fluoralkyl zu bilden Funktionalität. Anwendungen Aktuell Die derzeitige Verwendung und Anwendung von Nanoröhren beschränkt sich im Wesentlichen auf die Verwendung von Bulk-Nanoröhren, bei denen es sich um eine Masse von unorganisierten Fragmenten von Nanoröhren handelt. Bulk-Nanoröhren-Materialien können niemals eine Zugfestigkeit erreichen, die der von Einzelröhren ähnlich ist, aber solche Verbundstoffe können dennoch für viele Anwendungen ausreichende Streckgrenzen aufweisen. Massenkohlenstoffnanoröhren wurden bereits als Verbundfasern in Polymeren verwendet, um die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften des Massenprodukts zu verbessern. Easton-Bell Sports, Inc. hat mit Zyvex Performance Materials eine Partnerschaft eingegangen, die CNT-Technologie in einer Reihe ihrer Fahrradkomponenten einsetzt, darunter Flach- und Steiglenker, Kurbeln, Gabeln, Sattelstützen, Vorbauten und Aero-Lenker. Zyvex Technologies hat auch ein 54-Zoll-Schiff, das Piranha Unmanned Surface Vessel, als Technologiedemonstrator für das, was mit CNT-Technologie möglich ist, gebaut. CNTs tragen zur Verbesserung der strukturellen Leistung des Schiffes bei, wodurch ein leichtes 8.000-Pfund-Boot entsteht, das eine Nutzlast von 15.000 Pfund über eine Reichweite von 2.500 Meilen tragen kann. Amroy Europe Oy stellt Hybtonite-Carbon-Nanoepoxy-Harze her, bei denen Kohlenstoff-Nanoröhren chemisch aktiviert wurden, um sich mit Epoxid zu verbinden, was zu einem Verbundmaterial führt, das 20% bis 30% stärker ist als andere Verbundmaterialien. Es wurde für Windturbinen, Schiffsanstriche und eine Vielzahl von Sportartikeln wie Ski, Eishockeyschläger, Baseballschläger, Jagdpfeile und Surfbretter verwendet. Die Boeing Company hat die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren zur strukturellen Überwachung von Verbundwerkstoffen in Flugzeugstrukturen patentiert. Diese Technologie wird das Risiko eines Ausfalls während des Fluges durch strukturelle Zerstörung von Flugzeugen erheblich reduzieren. Andere aktuelle Anwendungen sind: Tipps für Rasterkraftmikroskopsonden Im Tissue Engineering können Kohlenstoffnanoröhrchen als Gerüst für das Knochenwachstum dienen Aktuelle Forschung für moderne Anwendungen umfasst: Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen als Gerüst für verschiedene Mikrofabrikationstechniken. Energiedissipation in selbstorganisierten Nanostrukturen unter Einfluss eines elektrischen Feldes. Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen zur Überwachung der Umgebung aufgrund ihrer aktiven Oberfläche und ihrer Fähigkeit, Gase zu absorbieren. Potenzial Aufgrund der Stärke und Flexibilität von Kohlenstoff-Nanoröhren können sie andere Strukturen im Nanomaßstab steuern, was darauf hindeutet, dass sie eine wichtige Rolle in der Nanotechnologie spielen werden. Die höchste Zugfestigkeit einer einzelnen mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhre wurde mit 63 GPa getestet. In Damaskus-Stahl aus dem 17. Jahrhundert wurden Kohlenstoff-Nanoröhren gefunden, die möglicherweise dazu beitragen, die legendäre Stärke der daraus hergestellten Schwerter zu erklären. In jüngster Zeit haben mehrere Studien die Aussicht auf Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen als Bausteine ​​für die Herstellung von dreidimensionalen makroskopischen (> 1 mm in allen drei Dimensionen) Vollkohlenstoffvorrichtungen hervorgehoben. Lalwani et al. berichteten über ein neues radikalisch initiiertes thermisches Vernetzungsverfahren zur Herstellung makroskopischer, freistehender, poröser Vollcarbon-Gerüste unter Verwendung ein- und mehrwandiger Kohlenstoffnanoröhrchen als Bausteine. Diese Gerüste verfügen über makro-, mikro- und nanostrukturierte Poren, und die Porosität kann für spezifische Anwendungen angepasst werden. Diese 3D-Vollcarbon-Gerüste / -Architekturen können für die Herstellung von Energiespeichern der nächsten Generation, Superkondensatoren, Feldemissionstransistoren, Hochleistungskatalyse, Photovoltaik sowie biomedizinischen Geräten und Implantaten verwendet werden.

CNTs sind potenzielle Kandidaten für zukünftiges Durchgangs- und Leitungsmaterial in VLSI-Schaltkreisen im Nanomaßstab. Durch die Beseitigung der Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Elektromigration, die heutige Cu-Verbindungen plagen, können isolierte (ein- und mehrwandige) CNT Stromdichten von mehr als 1000 MA / cm² ohne Elektromigrationsschaden tragen.

Große Mengen an reinen CNTs können durch ein SETC-Verfahren (Surface-Engineered Tape Casting) zu einer freistehenden Folie oder Folie verarbeitet werden. Hierbei handelt es sich um eine skalierbare Methode zur Herstellung flexibler und faltbarer Platten mit hervorragenden Eigenschaften. Ein weiterer berichteter Formfaktor ist CNT-Faser (aka Filament) durch Nassspinnen. Die Faser wird entweder direkt aus dem Synthesetopf oder aus vorgefertigten gelösten CNTs gesponnen. Einzelne Fasern können zu einem Garn verarbeitet werden. Neben der Festigkeit und Flexibilität besteht der Hauptvorteil darin, ein elektrisch leitendes Garn herzustellen. Die elektronischen Eigenschaften der einzelnen CNT-Fasern (dh das Bündel der einzelnen CNT) werden durch die zweidimensionale Struktur der CNTs bestimmt. Es wurde gemessen, dass die Fasern einen spezifischen Widerstand hatten, der nur eine Größenordnung höher war als metallische Leiter bei 300 K. Durch die weitere Optimierung der CNTs und CNT-Fasern konnten CNT-Fasern mit verbesserten elektrischen Eigenschaften entwickelt werden.

Garne auf CNT-Basis eignen sich für Anwendungen in der Energie- und elektrochemischen Wasserbehandlung, wenn sie mit einer Ionenaustauschermembran beschichtet sind. Garne auf CNT-Basis könnten Kupfer als Wickelmaterial ersetzen. Pyrhönen et al. (2015) haben einen Motor mit CNT-Wicklung gebaut.

Sicherheit und Gesundheit
Das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) ist die führende US-Bundesbehörde, die Forschungen durchführt und Leitlinien zu den Auswirkungen und Anwendungen der Nanotechnologie im Bereich Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz bietet. Frühere wissenschaftliche Studien haben gezeigt, dass einige dieser nanoskaligen Partikel ein größeres Gesundheitsrisiko darstellen als die größere Masse dieser Materialien.NIOSH ein aktuelles Intelligence Bulletin, in dem die potenziellen Risiken und der empfohlenen Expositionsgrenzwert für Kohlenstoffnanoröhren und -fasern beschrieben sind.

Seit Oktober 2016 sind einwandfreie Kohlenstoffnanoröhrchen durch die EU-Verordnungen REACH (Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe) eingetragen. Aufgrund dieser Registrierung ist die Vermarktung von SWCNT in der EU bis zu 10 Tonnen erlaubt. Derzeit ist der durch REACH geltende SWCNT-Typ auf den richtigen Typ von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen beschränkt.