Углеродные нанотрубки (УНТ) — это аллотропы углерода с цилиндрической наноструктурой. Эти цилиндрические молекулы углерода имеют необычные свойства, которые ценны для нанотехнологий, электроники, оптики и других областей материаловедения и технологии. Благодаря исключительной прочности и жесткости материала, нанотрубки были сконструированы с отношением длины к диаметру до 132 000 000: 1, что значительно больше, чем для любого другого материала.

Кроме того, благодаря своей исключительной теплопроводности, механическим и электрическим свойствам углеродные нанотрубки находят применение в качестве добавок к различным конструкционным материалам. Например, нанотрубки образуют крошечную часть материала (ов) в некоторых (в основном углеродном волокне) бейсбольных битах, гольф-клубах, автомобильных деталях или дамасской стали.

Нанотрубки являются членами структурной группы фуллеренов. Их название происходит от их длинной полого строения со стенами, образованными листами углерода с одним атомом, называемым графеном. Эти листы прокатываются на конкретных и дискретных («киральных») углах, а комбинация угла и радиуса качения решает свойства нанотрубки; например, является ли отдельная нанотрубчатая оболочка металлом или полупроводником. Нанотрубки относятся к однослойным нанотрубкам (SWNT) и многослойным нанотрубкам (MWNT). Отдельные нанотрубки естественно присоединяются к «канатам», удерживаемым силами Ван-дер-Ваальса, точнее, пи-укладыванию.

Прикладная квантовая химия, в частности, орбитальная гибридизация, лучше всего описывает химическое связывание в нанотрубках. Химическая связь нанотрубок включает полностью sp2-гибридные атомы углерода. Эти связи, сходные с графитом и более сильные, чем у алканов и алмаза (которые используют sp3-гибридные атомы углерода), обеспечивают нанотрубки своей уникальной силой.

Типы углеродных нанотрубок и связанных с ними структур
Консенсуса относительно некоторых терминов, описывающих углеродные нанотрубки в научной литературе, как «-wall», так и «-walled» используются в сочетании с «одиночными», «двойными», «тройными» или «мульти», а буква C часто сокращается в аббревиатуре; например, многослойная углеродная нанотрубка (MWNT).

Однослойные

где a = 0,246 нм.

SWNT являются важным разнообразием углеродных нанотрубок, потому что большинство их свойств значительно меняются с величинами (n, m), и эта зависимость немонотонна (см. График Kataura). В частности, их ширина запрещенной зоны может изменяться от нуля до примерно 2 эВ, и их электропроводность может проявлять поведение металлических или полупроводников. Однослойные нанотрубки являются вероятными кандидатами на миниатюризацию электроники. Самым основным строительным блоком этих систем является электрический провод, а SWNT с диаметрами порядка нанометра могут быть отличными проводниками. Одним из полезных применений ОСНТ является разработка первых межмолекулярных полевых транзисторов (ПЭТ). Первые межмолекулярные логические ворота с использованием полевых транзисторов SWCNT были сделаны в 2001 году. Логические ворота требуют как p-FET, так и n-FET. Поскольку SWNT являются p-FET при воздействии кислорода и n-FET в противном случае, можно подвергнуть половину SWNT кислороду и защитить вторую половину от него. Результирующий SWNT действует как не логический вентиль с полевыми транзисторами p и n-типа в одной и той же молекуле.

Цены на однослойные нанотрубки снизились с примерно 1500 долл. США за грамм по сравнению с 2000 годом до розничных цен примерно на 50 долл. США за грамм произведенных 40-60% по весу ОСНТ по состоянию на март 2010 года. По состоянию на 2016 год розничная цена 75 % по весу ОСНТ составляли 2 долл. США за грамм, что достаточно дешево для широкого использования. Ожидается, что SWNT окажут значительное влияние на применение электроники к 2020 году в соответствии с докладом Global Market for Carbon Nanotubes.

Multi-стена
Многослойные нанотрубки (MWNT) состоят из многослойных слоев (концентрических труб) графена. Существуют две модели, которые можно использовать для описания структур многослойных нанотрубок. В модели «Русская кукла» листы графита расположены в концентрических цилиндрах, например, (0,8) однослойная нанотрубка (SWNT) в более крупной (0,17) однослойной нанотрубке. В модели Parchment один лист графита катится вокруг себя, напоминающий свиток пергамента или свернутую газету. Расстояние между слоями в многослойных нанотрубках близко к расстоянию между слоями графена в графите, приблизительно 3,4 Å. Структура Русской куклы наблюдается чаще. Его отдельные оболочки можно охарактеризовать как ОСНТ, которые могут быть металлическими или полупроводниковыми. Из-за статистической вероятности и ограничений относительных диаметров отдельных трубок одна из оболочек и, следовательно, весь MWNT, обычно представляет собой металл с нулевым зазором.

Двустенные углеродные нанотрубки (DWNT) образуют особый класс нанотрубок, поскольку их морфология и свойства аналогичны морфологиям ОСНТ, но они более устойчивы к химическим веществам. Это особенно важно, когда необходимо перенести химические функции на поверхность нанотрубок (функционализация) для добавления свойств в УНТ. Ковалентная функционализация ОСНТ приведет к нарушению некоторых двойных связей С = С, оставляя «дырки» в структуре на нанотрубке и тем самым изменяя как свои механические, так и электрические свойства. В случае DWNT изменяется только внешняя стена. Синтез DWNT на грамм-шкале был впервые предложен в 2003 году методом CCVD, от селективного восстановления оксидных растворов в метане и водороде.

Телескопическая способность движения внутренних оболочек и их уникальные механические свойства позволят использовать многослойные нанотрубки в качестве основных подвижных рычагов в приходящих наномеханических устройствах. [Спекуляция?] Сила отвода, которая возникает при телескопическом движении, вызванная взаимодействием Леннарда-Джонса между оболочками и его значение составляет около 1,5 нН.

Переходы и сшивание
Теоретически обсуждались соединения между двумя или более нанотрубками. Такие соединения довольно часто наблюдаются в образцах, полученных дуговым разрядом, а также химическим осаждением из паровой фазы. Электронные свойства таких переходов впервые были теоретически рассмотрены Ламбином и др., Который указал, что связь между металлической трубкой и полупроводниковой будет представлять собой наноразмерный гетеропереход. Таким образом, такое соединение может составлять компонент электронной схемы на основе нанотрубок. Смежное изображение показывает соединение между двумя многослойными нанотрубками. Переходы между нанотрубками и графеном были рассмотрены теоретически, но не широко изучены экспериментально. Такие соединения образуют основу столбчатого графена, в котором параллельные графеновые листы разделены короткими нанотрубками. Pillared graphene представляет собой класс трехмерных архитектур углеродных нанотрубок.

Недавно в нескольких исследованиях была подчеркнута перспектива использования углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков для изготовления трехмерных макроскопических (& gt; 100 нм во всех трех измерениях) устройств с углеродом. Lalwani et al. сообщили о новом инициированном радикалом методе термической сшивки для изготовления макроскопических, свободно стоящих, пористых, углеродных лесов с использованием одно- и многослойных углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков. Эти леса имеют макро-, микро- и наноструктурированные поры, а пористость может быть адаптирована для конкретных применений. Эти трехмерные углеродные леса / архитектуры могут быть использованы для изготовления следующего поколения хранилищ энергии, суперконденсаторов, полевых эмиссионных транзисторов, высокопроизводительного катализа, фотоэлектричества и биомедицинских устройств и имплантатов.

Другие морфологии
Углеродные нанобуды — это вновь созданный материал, объединяющий два ранее обнаруженных аллотропа углеродных: углеродных нанотрубок и фуллеренов. В этом новом материале фуллереноподобные «почки» ковалентно связаны с внешними боковыми стенками углеродной нанотрубки. Этот гибридный материал обладает полезными свойствами как фуллеренов, так и углеродных нанотрубок. В частности, они оказались исключительно хорошими полевыми излучателями. В композитных материалах присоединенные молекулы фуллерена могут функционировать как молекулярные якоря, предотвращающие скольжение нанотрубок, тем самым улучшая механические свойства композита.

Углеродный пипод представляет собой новый гибридный углеродный материал, который захватывает фуллерен внутри углеродной нанотрубки. Он может обладать интересными магнитными свойствами при нагревании и облучении. Он также может применяться в качестве осциллятора во время теоретических исследований и прогнозов.

Теоретически нанотор представляет собой углеродную нанотрубку, изогнутую в тор (форма пончика). Предполагается, что у нанотори есть много уникальных свойств, таких как магнитные моменты, в 1000 раз превышающие ранее ожидаемые для определенных конкретных радиусов. Такие свойства, как магнитный момент, термическая стабильность и т. Д., Сильно различаются в зависимости от радиуса тора и радиуса трубки.

Графонированные углеродные нанотрубки представляют собой относительно новый гибрид, который объединяет графитовые слои, выращенные вдоль боковых стенок многослойных или бамбуковых УНТ. Плотность слоя может варьироваться в зависимости от условий осаждения (например, температуры и времени) с их структурой в пределах от нескольких слоев графена (<10) до более толстых, более графитоподобных. Основным преимуществом интегрированной структуры графена-УНТ является трехмерная структура с высокой площадью поверхности УНТ, связанная с высокой плотностью графена графена. Депонирование высокой плотности графеновых слой по длине выровненных УНТ может значительно увеличить общую емкость заряда на единицу номинальной площади по сравнению с другими углеродными наноструктурами. Углеродные нанотрубки с кубиками (CSCNT) отличаются от других квази-1D углеродных структур, которые обычно ведут себя как квазиметаллические проводники электронов. CSCNT демонстрируют полупроводниковое поведение из-за укладки микроструктуры графеновых слоев. Экстремальные углеродные нанотрубки Наблюдение за длинными углеродными нанотрубками, выращенными до сих пор, составляет более 1/2 м (550 мм в длину), было сообщено в 2013 году. Эти нанотрубки выращивали на кремниевых подложках с использованием усовершенствованного метода химического осаждения из паровой фазы (CVD) и представляли собой электрически однородные массивы одиночных углеродных нанотрубок. Самая короткая углеродная нанотрубка - это органическое соединение циклопарафенилена, которое было синтезировано в 2008 году. Тонкой углеродной нанотрубкой является кресло (2,2) CNT с диаметром 0,3 нм. Эта нанотрубка была выращена внутри многослойной углеродной нанотрубки. Присвоение типа углеродных нанотрубок проводилось комбинацией высокочастотной спектроскопии просвечивающей электронной микроскопии (HRTEM), спектроскопии комбинационного рассеяния и теории функционала плотности (DFT). Самая тонкая автономная одностенная углеродная нанотрубка имеет диаметр около 0,43 нм. Исследователи предположили, что это может быть (5,1) или (4,2) SWCNT, но точный тип углеродной нанотрубки остается сомнительным. (3,3), (4,3) и (5,1) углеродных нанотрубок (всего около 0,4 нм в диаметре) однозначно идентифицировали с помощью коррекционной электронной микроскопии с высоким разрешением с разрешающей способностью в двустенных УНТ. Наибольшая плотность УНТ была достигнута в 2013 году, выращенная на проводящей покрытой титаном медной поверхности, покрытой сокатализаторами кобальта и молибдена при более низких, чем обычно, температурах 450 ° С. Трубки усредняли высоту 380 нм и массовую плотность 1,6 г см-3. Материал показал омическую проводимость (низкое сопротивление ~22 кОм). свойства механический Углеродные нанотрубки - самые сильные и жесткие материалы, которые все же открыты с точки зрения прочности на разрыв и модуля упругости соответственно. Эта прочность обусловлена ​​ковалентными связями sp2, образованными между отдельными атомами углерода. В 2000 году была испытана многостенная углеродная нанотрубка с пределом прочности на разрыв 63 гигапаскаля (9 100 000 фунтов на квадратный дюйм). (Для иллюстрации это означает способность выдерживать натяжение весом, эквивалентным 6 422 килограммовым нагрузкам (62 980 Н, 14 160 фунтов) на кабель с поперечным сечением 1 квадратный миллиметр (0,0016 кв. Дюйм).) Дальнейшие исследования, такие как один из проведенных в 2008 году, показал, что отдельные оболочки УНТ имеют силы до ≈100 гигапаскалей (15 000 000 фунтов на квадратный дюйм), что согласуется с квантовыми / атомистическими моделями. Поскольку углеродные нанотрубки имеют низкую плотность для твердого тела от 1,3 до 1,4 г / см3, его удельная прочность до 48 000 кН • м • кг-1 является наилучшим из известных материалов по сравнению с 154 кН • м • кг-1. Хотя прочность отдельных оболочек УНТ чрезвычайно высока, слабые сдвиговые взаимодействия между соседними оболочками и трубами приводят к значительному снижению эффективной силы многослойных углеродных нанотрубок и комплексов углеродных нанотрубок вплоть до нескольких ГПа. Это ограничение недавно было рассмотрено применением высокоэнергетического электронного облучения, которое сшивает внутренние оболочки и трубки и эффективно увеличивает прочность этих материалов до ≈60 ГПа для многослойных углеродных нанотрубок и ≈17 ГПа для пучков углеродных нанотрубок с двойной стенкой , При сжатии УНТ не так сильны. Из-за их полого структуры и высокого соотношения сторон они, как правило, подвергаются выпучиванию при размещении под давлением сжатия, скручивания или изгиба. С другой стороны, были свидетельства того, что в радиальном направлении они довольно мягкие. Первое обнаружение радиальной упругости электронного электронного микроскопа показало, что даже силы Ван-дер-Ваальса могут деформировать две соседние нанотрубки. Позднее наноиндентации с атомно-силовым микроскопом были выполнены несколькими группами для количественного измерения радиальной упругости многослойных углеродных нанотрубок и атомно-силовой микроскопии нарезания / контакта, а также на одностенных углеродных нанотрубках. Модуль Юнга порядка нескольких ГПа показал, что УНТ на самом деле очень мягкие в радиальном направлении. электрический В отличие от графена, который представляет собой двумерный полуметалл, углеродные нанотрубки являются либо металлическими, либо полупроводниковыми вдоль трубчатой ​​оси. Для данной (n, m) нанотрубки, если n = m, нанотрубка металлическая; если n - m кратно 3 и n ≠ m и nm ≠ 0, то нанотрубка квазиметаллическая с очень малой зонной щелью, в противном случае нанотрубка будет умеренным полупроводником. Таким образом, все крепежные (n = m) нанотрубки являются металлическими, а нанотрубки (6,4), (9,1) и т. Д. Являются полупроводниковыми. Углеродные нанотрубки не являются полуметаллическими, так как вырожденная точка (точка, в которой полоса π [связывания] встречается с π * [антисвязывающей] полосой, при которой энергия переходит в нуль) слегка смещается от точки K в зоне Бриллюэна из-за кривизны поверхности трубки, вызывая гибридизацию между полосами скрещивания σ * и π *, изменяя зонную дисперсию. Правило, касающееся поведения металла и полупроводника, имеет исключения, поскольку эффекты кривизны в трубах малого диаметра могут сильно влиять на электрические свойства. Таким образом, (5,0) SWCNT, который должен быть полупроводником, на самом деле является металлическим по расчетам. Аналогично, зигзагообразные и киральные ОУНТ с малыми диаметрами, которые должны быть металлическими, имеют конечный зазор (крепежные нанотрубки остаются металлическими). Теоретически, металлические нанотрубки могут иметь плотность электрического тока 4 × 109 А / см2, что более чем в 1000 раз больше, чем у металлов, таких как медь, где для медных соединений плотность тока ограничена электромиграцией. Таким образом, углеродные нанотрубки исследуются как взаимосвязи, компоненты, повышающие проводимость в композитных материалах, и многие группы пытаются коммерциализировать высокопроводящую электрическую проволоку, собранную из отдельных углеродных нанотрубок. Однако есть значительные проблемы, которые необходимо преодолеть, например, при недостаточном напряжении насыщения тока, гораздо более резистивных соединениях нанотрубок и нанотрубках, все из которых уменьшают электропроводность микропроцессорных нанотрубок на порядок к проводимости отдельных нанотрубок. Из-за своего наноразмерного поперечного сечения электроны распространяются только вдоль оси трубки. В результате углеродные нанотрубки часто называют одномерными проводниками. Максимальная электрическая проводимость одностенной углеродной нанотрубки равна 2G0, где G0 = 2e2 / h - проводимость одного баллистического квантового канала. Из-за роли π-электронной системы в определении электронных свойств графена легирование в углеродных нанотрубках отличается от легирования объемных кристаллических полупроводников из той же группы периодической таблицы (например, кремния). Графическое замещение атомов углерода в стенке нанотрубки присадками бора или азота приводит к поведению типа p-типа и n-типа соответственно, как и следовало ожидать в кремнии. Однако некоторые незамещающие (интеркалированные или адсорбированные) присадки, вводимые в углеродную нанотрубку, такие как щелочные металлы, а также обогащенные электронами металлоцены, приводят к проводимости n-типа, поскольку они передают электроны в π-электронную систему нанотрубки. Напротив, π-электронные акцепторы, такие как FeCl3 или электронодефицитные металлоцены, функционируют как примеси p-типа, поскольку они вытягивают π-электроны от верхней части валентной зоны. Сообщалось о внутренней сверхпроводимости, хотя в других экспериментах не было доказательств этого, оставив заявку предметом дебатов. оптический Углеродные нанотрубки имеют полезное поглощение, фотолюминесценцию (флуоресценцию) и свойства рамановской спектроскопии. Спектроскопические методы обеспечивают возможность быстрой и неразрушающей характеристики относительно больших количеств углеродных нанотрубок. Существует большой спрос на такую ​​характеристику с промышленной точки зрения: многочисленные параметры синтеза нанотрубок могут быть изменены, преднамеренно или непреднамеренно, чтобы изменить качество нанотрубок. Как показано ниже, оптическая абсорбция, фотолюминесценция и спектроскопия комбинационного рассеяния позволяют быстро и надежно характеризовать это «качество нанотрубок» в отношении содержания нетрубчатого углерода, структуры (хиральности) полученных нанотрубок и структурных дефектов. Эти особенности определяют практически любые другие свойства, такие как оптические, механические и электрические свойства. Углеродные нанотрубки - это уникальные «одномерные системы», которые можно рассматривать как прокатные одиночные листы графита (или, точнее, графена). Эта прокатка может выполняться под разными углами и кривизнами, что приводит к различным свойствам нанотрубок. Диаметр обычно изменяется в диапазоне 0,4-40 нм (т. Е. «Всего» ~ 100 раз), но длина может варьироваться в 100 000 000 000 раз, от 0,14 до 55,5 см. Соотношение размеров нанотрубки или отношение длины к диаметру может достигать 132 000 000: 1, что не имеет отношения к какому-либо другому материалу. Следовательно, все свойства углеродных нанотрубок по сравнению с характеристиками типичных полупроводников чрезвычайно анизотропны (зависят от направления) и перестраиваются. В то время как механические, электрические и электрохимические (суперконденсаторные) свойства углеродных нанотрубок хорошо известны и имеют непосредственное применение, практическое использование оптических свойств пока неясно. Вышеупомянутая перестраиваемость свойств потенциально полезна в оптике и фотонике. В частности, в лаборатории были выпущены светоизлучающие диоды (светодиоды) и фотодетекторы на основе одной нанотрубки. Их уникальная особенность - это не эффективность, которая пока относительно низкая, но узкая селективность в длине волны излучения и обнаружения света и возможность его тонкой настройки через структуру нанотрубок. Кроме того, на ансамблях одностенных углеродных нанотрубок реализованы болометрические и оптоэлектронные запоминающие устройства. Кристаллографические дефекты также влияют на электрические свойства трубки. Общим результатом является снижение проводимости через дефектную область трубки. Дефект в трубах кресла (который может проводить электричество) может привести к тому, что окружающая область станет полупроводниковой, а одиночные одноатомные вакансии индуцируют магнитные свойства. термический Ожидается, что все нанотрубки будут очень хорошими теплопроводными проводниками вдоль трубки, обладая свойством, известным как «баллистическая проводимость», но хорошими изоляторами, боковыми к оси трубы. Измерения показывают, что индивидуальный ОУНТ имеет теплопроводность комнатной температуры вдоль своей оси около 3500 Вт • м-1 • К-1; сравните это с медью, металлом, хорошо известным своей хорошей теплопроводностью, которая передает 385 Вт • м-1 • К-1. Индивидуальный SWNT имеет теплопроводность в помещении по всей своей оси (в радиальном направлении) около 1,52 Вт • м-1 • К-1, которая примерно как теплопроводная, как почва. Макроскопические сборки нанотрубок, таких как пленки или волокна, достигли до 1500 Вт • м-1 • К-1. По оценкам, температурная стабильность углеродных нанотрубок составляет до 2800 ° C в вакууме и около 750 ° C на воздухе. Кристаллографические дефекты сильно влияют на тепловые свойства трубки. Такие дефекты приводят к рассеянию фононов, что, в свою очередь, увеличивает скорость релаксации фононов. Это уменьшает длину свободного пробега и уменьшает теплопроводность структур нанотрубок. Моделирование переноса фононов показывает, что дефекты замещения, такие как азот или бор, в основном приводят к рассеянию высокочастотных оптических фононов. Однако крупномасштабные дефекты, такие как дефекты Каменного Уэльса, вызывают рассеяние фононов на широком диапазоне частот, что приводит к большему снижению теплопроводности. Синтез Разработаны методы изготовления нанотрубок в значительных количествах, включая дуговый разряд, лазерную абляцию, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и диспропорционирование монооксида углерода высокого давления (HiPCO). Среди этих дуговых разрядов лазерная абляция, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) являются периодическими процессами, а HiPCO - непрерывным газофазным процессом. Большинство из этих процессов происходит в вакууме или с технологическими газами. Метод роста CVD популярен, так как он дает высокое количество и имеет степень контроля над диаметром, длиной и морфологией. Используя частицы катализаторов, большое количество нанотрубок может быть синтезировано с помощью этих методов, но достижение повторяемости становится серьезной проблемой с ростом сердечно-сосудистых заболеваний. Процесс HiPCO продвигается в процессе катализа и непрерывного роста делает CNT более коммерчески жизнеспособными. Процесс HiPCO помогает в производстве высокочистых однослойных углеродных нанотрубок в большем количестве. Реактор HiPCO работает при высокой температуре 900-1100 ° C и высоком давлении ~ 30-50 бар. В качестве источника углерода используется углекислый газ и никель / железо пентакарбонил в качестве катализатора. Этот катализатор действует как участок зародышеобразования для роста нанотрубок. Вертикально выровненные массивы углеродных нанотрубок также выращиваются термическим химическим осаждением из паровой фазы. Субстрат (кварц, кремний, нержавеющая сталь и т. Д.) Покрыт слоем каталитического металла (Fe, Co, Ni). Обычно этот слой является железом и осаждается через распыление до толщины 1-5 нм. Вначале на подложку также наносят 10-50 нм подслой глинозема. Это обеспечивает контролируемое смачивание и хорошие межфазные свойства. Когда подложка нагревается до температуры роста (~ 700 ° С), непрерывная пленка железа распадается на небольшие острова ... каждый остров затем зарождает углеродную нанотрубку. Распыленная толщина контролирует размер острова, а это, в свою очередь, определяет диаметр нанотрубки. Более тонкие слои железа движутся вниз по диаметру островов, и они уменьшают диаметр выращиваемых нанотрубок. Количество времени, в течение которого металлический остров может сидеть при температуре роста, ограничен, поскольку они являются мобильными, и может сливаться на более крупные (но менее) острова. Отжиг при температуре роста снижает плотность участка (число CNT / мм2) при увеличении диаметра катализатора. У подготовленных углеродных нанотрубок всегда присутствуют примеси, такие как другие формы углерода (аморфный углерод, фуллерен и т. Д.) И не углеродистые примеси (металлы, используемые для катализатора). Эти примеси необходимо удалить, чтобы использовать углеродные нанотрубки в приложениях. метрология Для углеродных нанотрубок существует множество стандартов метрологии и справочных материалов. Для одностенных углеродных нанотрубок ISO / TS 10868 описывает метод измерения диаметра, чистоты и доли металлических нанотрубок методом оптической абсорбционной спектроскопии, в то время как ISO / TS 10797 и ISO / TS 10798 устанавливают методы для характеристики морфологии и элементного состава одностенных углеродных нанотрубок, с использованием просвечивающей электронной микроскопии и сканирующей электронной микроскопии, соответственно, в сочетании с анализом рентгеновской спектроскопии с дисперсией энергии. Для многослойных углеродных нанотрубок ISO / TR 10929 идентифицирует основные свойства и содержание примесей, в то время как ISO / TS 11888 описывает морфологию с использованием сканирующей электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, вискозиметрии и анализа рассеяния света. ISO / TS 10798 также применим для многослойных углеродных нанотрубок. Химическая модификация Углеродные нанотрубки могут функционировать для достижения желаемых свойств, которые могут использоваться в самых разных областях применения. Двумя основными методами функционализации углеродных нанотрубок являются ковалентные и нековалентные модификации. Из-за их кажущейся гидрофобной природы углеродные нанотрубки склонны к агломерации, препятствуя их дисперсии в растворителях или вязких полимерных расплавах. Полученные пучки или агрегаты нанотрубок уменьшают механические характеристики конечного композита. Поверхность углеродных нанотрубок может быть модифицирована для уменьшения гидрофобности и улучшения межфазной адгезии к объемному полимеру посредством химического присоединения. Кроме того, поверхность углеродных нанотрубок может быть фторирована или галофторирована методом CVD с использованием фторуглеродов, гидро- или галогенфторуглеродов при нагревании при контакте такого углеродного материала с фторорганическим веществом с образованием частично фторированных атомов углерода (так называемых материалов Fluocar) с привитым (гало) фторалкилом функциональность. Приложения Текущий Современное использование и применение нанотрубок в основном ограничивалось использованием объемных нанотрубок, представляющих собой массу довольно неорганизованных фрагментов нанотрубок. Массовые нанотрубки никогда не смогут достичь прочности на растяжение, аналогичной прочности отдельных трубок, однако такие композиты могут, тем не менее, обеспечить прочность, достаточную для многих применений. Массовые углеродные нанотрубки уже использовались в качестве составных волокон в полимерах для улучшения механических, тепловых и электрических свойств сыпучего продукта. Easton-Bell Sports, Inc. сотрудничают с Zyvex Performance Materials, используя технологию CNT в ряде своих велосипедных компонентов, включая плоские и стоячие рули, кривошипы, вилки, посадочные места, стебли и аэробусы. Zyvex Technologies также построила 54-морское судно, беспилотный корабль Piranha, в качестве технологического демонстратора для того, что возможно с использованием технологии CNT. УНТ помогают улучшить структурные характеристики судна, в результате чего легкая лодка мощностью 8 000 фунтов, которая может перевозить полезную нагрузку в 15 000 фунтов в диапазоне 2500 миль. Amroy Europe Oy выпускает наноэпоксидные смолы на основе габтонита, где углеродные нанотрубки химически активируются для связывания с эпоксидной смолой, в результате чего композиционный материал на 20-30% сильнее, чем другие композиционные материалы. Он используется для ветровых турбин, морских красок и различных спортивных приспособлений, таких как лыжи, клюшки для хоккея с шайбой, бейсбольные биты, охотничьи стрелы и доски для серфинга. Компания Boeing запатентовала использование углеродных нанотрубок для структурного мониторинга работоспособности композитов, используемых в авиационных структурах. Эта технология значительно снизит риск сбоя в полете, вызванного структурной деградацией воздушных судов. Другие текущие приложения включают: наконечники для зондов атомного силового микроскопа в тканевой инженерии углеродные нанотрубки могут выступать в качестве лесов для роста костей Текущие исследования для современных приложений включают: используя углеродные нанотрубки в качестве эшафота для различных методов микрообработки. диссипации энергии в самоорганизующихся наноструктурах под воздействием электрического поля. используя углеродные нанотрубки для мониторинга окружающей среды из-за их активной площади поверхности и их способности поглощать газы. потенциал Сила и гибкость углеродных нанотрубок делают их потенциально возможными для управления другими наноразмерными структурами, что предполагает, что они будут играть важную роль в разработке нанотехнологий. Максимальная прочность на растяжение отдельной многослойной углеродной нанотрубки была испытана равной 63 ГПа. Углеродные нанотрубки были найдены в дамасской стали с 17-го века, возможно, помогая объяснить легендарную силу мечей, изготовленных из него. В последнее время в нескольких исследованиях была подчеркнута перспектива использования углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков для изготовления трехмерных макроскопических (> 1 мм во всех трех измерениях) углеродных устройств. Lalwani et al. сообщили о новом инициированном радикалом методе термической сшивки к изготовленным макроскопическим, свободно стоящим, пористым, углеродным каркасам с использованием одно- и многослойных углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков. Эти леса имеют макро-, микро- и наноструктурированные поры, а пористость может быть адаптирована для конкретных применений. Эти трехмерные углеродные леса / архитектуры могут быть использованы для изготовления следующего поколения хранилищ энергии, суперконденсаторов, полевых эмиссионных транзисторов, высокопроизводительного катализа, фотоэлектричества и биомедицинских устройств и имплантатов.

УНТ являются потенциальными кандидатами на будущие материалы для прохода и проводов в наноразмерных схемах СБИС. Устранение надежности электромиграции связано с тем, что сегодняшние Cu-соединения из чумы, изолированные (одиночные и многостенные) УНТ могут нести текущие плотности, превышающие 1000 MA / sq-cm, без ущерба для электромиграции.

Большие количества чистых УНТ могут быть изготовлены в отдельно стоящем листе или пленке методом изготовления методом намотки ленты (SETC) с поверхностной обработкой, который является масштабируемым методом изготовления гибких и складных листов с превосходными свойствами. Другим зарегистрированным форм-фактором является волокно УНТ (ака-нить) путем мокрого формования. Волокно либо непосредственно выкручивается из горшка синтеза, либо формовано из предварительно приготовленных растворенных УНТ. Отдельные волокна можно превратить в пряжу. Помимо своей прочности и гибкости, основным преимуществом является создание электропроводящей пряжи. Электронные свойства отдельных волокон УНТ (т.е. пучок отдельных УНТ) определяются двумерной структурой УНТ. Было измерено, что волокна имеют удельное сопротивление только на один порядок выше, чем металлические проводники при 300 К. Дальнейшая оптимизация УНТ и волокон УНТ может быть разработана с использованием УНТ-волокон с улучшенными электрическими свойствами.

Пряжи на основе CNT подходят для применений в энергетической и электрохимической обработке воды при покрытии ионообменной мембраной. Кроме того, нити на основе УНТ могут заменить медь в качестве намоточного материала. Pyrhönen et al. (2015) построили двигатель с использованием обмотки УНТ.

Безопасность и здоровье
Национальный институт безопасности и гигиены труда (NIOSH) является ведущим федеральным агентством Соединенных Штатов, проводящим исследования и обеспечивающим руководство по последствиям и применениям нанотехнологий в области безопасности и гигиены труда.Ранние научные исследования показали, что некоторые из этих наноразмерных частиц могут представлять больший риск для здоровья, чем большая объемная форма этих материалов. В 2013 году NIOSH опубликовал бюллетени текущих разведок, в которых подробно описаны потенциальные опасности и рекомендуемый предел воздействия углеродных нанотрубок и волокон.

По состоянию на октябрь 2016 года односторонние углеродные нанотрубки регистрируются в соответствии с правилами Европейского Союза по регистрации, оценке, разрешению и ограничению химических веществ (REACH) на основе оценки потенциально опасных свойств ОУНТ. Основываясь на этой регистрации, коммерциализация SWCNT допускается в ЕС до 10 метрических тонн.В настоящее время тип SWCNT, зарегистрированный через REACH, ограниченный типом одностенных углеродных нанотрубок, производимых OCSiAl, который подал заявку.