탄소 나노 튜브 (CNTs)는 원통형 나노 구조를 가진 탄소의 동소체이다. 이러한 원통형 탄소 분자는 나노 기술, 전자, 광학 및 기타 재료 과학 및 기술 분야에 유용한 특이한 특성을 가지고 있습니다. 이 소재의 탁월한 강도와 강성으로 인해 나노 튜브는 최대 132,000,000 : 1의 길이 대 직경 비율로 구성되어 다른 재료보다 훨씬 큽니다.
또한, 뛰어난 열 전도성, 기계적 특성 및 전기적 특성으로 인해 탄소 나노 튜브는 다양한 구조 재료에 첨가제로 사용됩니다. 예를 들어, 나노 튜브는 일부 탄소 섬유 (야자 열매) 야구 방망이, 골프 클럽, 자동차 부품 또는 다마스커스 강재에서 재료의 아주 작은 부분을 형성합니다.
나노 튜브는 풀러렌 구조 패밀리의 구성원입니다. 그들의 이름은 그라 핀 (graphene)이라고 불리는 1 원자 두께의 탄소 시트로 형성된 벽을 가진 길고도 속이 찬 구조에서 비롯된 것입니다. 이 시트는 특정 이산 ( “키랄”) 각으로 굴러 가고, 롤각과 반지름의 조합은 나노 튜브 특성을 결정합니다. 예를 들어, 개별적인 나노 튜브 껍질이 금속인지 또는 반도체인지를 결정할 수있다. 나노 튜브는 단일 벽 나노 튜브 (SWNT)와 다중 벽 나노 튜브 (MWNT)로 분류됩니다. 개별 나노 튜브는 반 데르 발스 (van der Waals) 세력, 특히 파이 스태킹 (pi-stacking)에 의해 결합 된 “로프”로 자연스럽게 정렬됩니다.
적용된 양자 화학, 구체적으로 궤도 교잡은 나노 튜브의 화학 결합을 가장 잘 묘사합니다. 나노 튜브의 화학 결합은 전적으로 sp2- 하이브리드 탄소 원자를 포함한다. 그라파이트와 유사하고 알칸과 다이아몬드 (sp3- 하이브리드 탄소 원자를 사용)에서 발견되는 것보다 더 강한 이들 결합은 나노 튜브에 고유 한 강도를 제공합니다.
탄소 나노 튜브의 종류 및 관련 구조
과학 문학에서 탄소 나노 튜브를 기술하는 몇 가지 용어에 대해서는 합의가 이루어지지 않았다. “벽”과 “벽”은 모두 “단일”, “이중”, “삼중”또는 “다중”과 결합하여 사용되며 문자 C 약어에서 종종 생략됩니다.예를 들어, 다중 벽 탄소 나노 튜브 (MWNT) 일 수있다.
단층
여기서 a = 0.246nm이다.
SWNT는 (n, m) 값으로 대부분의 특성이 크게 변하기 때문에 탄소 나노 튜브의 중요한 다양성이며이 의존성은 단조롭지 않습니다 (Kataura 그림 참조). 특히, 그들의 밴드 갭은 0에서 약 2eV까지 변할 수 있으며, 이들의 전기 전도도는 금속 또는 반도체의 거동을 나타낼 수있다. 단일 벽 나노 튜브는 전자 장치의 소형화를위한 가능성이 있습니다. 이 시스템의 가장 기본적인 빌딩 블록은 전선이며, 나노 미터 크기의 SWNT는 우수한 도체가 될 수 있습니다. SWNT의 유용한 응용 분야 중 하나는 첫 번째 분자간 전계 효과 트랜지스터 (FET) 개발에 있습니다. SWCNT FET를 사용하는 최초의 분자간 논리 게이트는 2001 년에 만들어졌다. 로직 게이트는 p-FET와 n-FET를 필요로한다. SWNT는 산소와 n-FET에 노출되었을 때 p-FET이기 때문에 SWNT의 절반을 산소에 노출시키고 나머지 절반을 산소로부터 보호 할 수 있습니다. 결과로 나온 SWNT는 동일한 분자 내에 p 형 FET와 n 형 FET가있는 논리 게이트가 아닙니다.
단일 벽 나노 튜브의 가격은 2000 년 현재 약 1500 달러에서 2010 년 3 월 현재 생산 된 40-60 % SWNT의 그램 당 약 50 달러의 소매가로 하락했다. 2016 년 현재, SWNT는 그램 당 2 달러였으며, 널리 사용하기에 충분히 싸다. 탄소 나노 튜브에 관한 세계 시장 보고서에 따르면 SWNT는 2020 년까지 전자 제품 분야에 큰 영향을 미칠 것으로 전망됩니다.
다중 벽
다중 벽 나노 튜브 (MWNTs)는 그라 핀으로 된 여러 개의 압연 레이어 (동심 튜브)로 구성됩니다. 다중 벽 나노 튜브의 구조를 설명하는 데 사용할 수있는 두 가지 모델이 있습니다. Russian Doll 모델에서 그라파이트 시트는 동심원의 실린더, 예를 들어 더 큰 (0,17) 단일 벽 나노 튜브 내의 (0,8) 단일 벽 나노 튜브 (SWNT)로 배열됩니다. 양피지 모델에서는 한 장의 흑연이 양피지 두루마리 모양의 신문과 비슷한 형태로 감겨져 있습니다. 다중 벽 나노 튜브의 층간 거리는 흑연에서 약 3.4Å 인 그라 핀 층 사이의 거리에 가깝습니다. 러시아 인형 구조는보다 보편적으로 관찰됩니다. 그 개별 껍질은 금속 또는 반도체 일 수있는 SWNT라고 할 수 있습니다. 통계적 확률과 개별 튜브의 상대 직경에 대한 제한으로 인해 쉘 중 하나와 전체 MWNT는 일반적으로 제로 갭 메탈입니다.
이중 벽 탄소 나노 튜브 (DWNT)는 형태와 특성이 SWNT와 유사하지만 화학 물질에 내성이 있기 때문에 특별한 종류의 나노 튜브를 형성합니다. 이것은 CNT에 특성을 추가하기 위해 나노 튜브의 표면에 화학 기능을 접목 (기능화) 할 필요가있을 때 특히 중요합니다. SWNT의 공유 결합 작용기 화는 일부 C = C 이중 결합을 파괴하여 나노 튜브상의 구조에 “구멍”을 남기므로 기계적 특성과 전기적 특성을 모두 수정합니다. DWNT의 경우 외벽 만 수정됩니다. 그램 규모의 DWNT 합성은 메탄과 수소의 산화물 용액의 선택적 환원으로부터 2003 년에 CCVD 기술에 의해 처음 제안되었다.
내부 껍질의 텔레스코픽 운동 능력과 독특한 기계적 성질은 다가 벽 나노 튜브를 다가오는 나노 기계 장치에서 주요 이동식 팔로 사용할 수있게합니다. [투기?] 쉘 사이의 레나드 – 존스 상호 작용에 의한 텔레스코픽 운동에 발생하는 후퇴 력 그 값은 약 1.5 nN입니다.
접합 및 가교 결합
2 개 이상의 나노 튜브 사이의 접합부는 이론적으로 광범위하게 논의되었습니다. 이러한 접합부는 화학 기상 증착뿐만 아니라 아크 방전에 의해 준비된 샘플에서 상당히 자주 관찰된다. 그러한 접합부의 전자 특성은 Lambin 등이 이론적으로 처음 고려한 바 있는데, 금속 튜브와 반도체 사이의 연결은 나노 스케일 헤테로 접합을 나타낼 것이라고 지적했다. 따라서, 이러한 접합은 나노 튜브 기반 전자 회로의 구성 요소를 형성 할 수있다. 인접한 이미지는 두 개의 다중 벽 나노 튜브 사이의 교차점을 보여줍니다. 나노 튜브와 그래 핀 사이의 연결점은 이론적으로는 고려되었지만 실험적으로 광범위하게 연구되지는 않았습니다. 이러한 접합부는 평행 그래파이트 시트가 짧은 나노 튜브로 분리되어있는 기둥 형 그래 핀의 기초를 형성합니다. Pillared graphene은 3 차원 탄소 나노 튜브 구조의 클래스를 나타냅니다.
최근에, 몇몇 연구는 모든 탄소 장치를 3 차원 거시적 (> 3 차원 모두에서> 100nm)으로 제조하기위한 빌딩 블록으로서 탄소 나노 튜브를 사용하는 전망을 강조했다. Lalwani et al. 단일 벽 및 다중 벽 탄소 나노 튜브를 빌딩 블록으로 사용하여 거시적 인, 독립형, 다공성, 모든 탄소 발판을 제조하기위한 새로운 라디칼 개시 열 가교 방법을 발표했다. 이 발판은 거시적, 미세 및 나노 구조의 공극을 가지고 있으며 다공성은 특정 용도에 맞게 조정할 수 있습니다. 이 3D 카본 스캐 폴드 / 아키텍처는 차세대 에너지 저장 장치, 수퍼 커패시터, 전계 방출 트랜지스터, 고성능 촉매, 광전지, 생물 의학 장치 및 임플란트의 제조에 사용될 수 있습니다.
기타 형태학
탄소 나노 바드는 탄소 나노 튜브와 풀러렌 (carbon nanotubes)과 풀린 (fullerenes)의 탄소 동소체 2 종을 결합하여 새로 만든 물질입니다. 이 새로운 물질에서 플러렌과 같은 “새싹”은 하부의 탄소 나노 튜브의 외부 측벽에 공유 결합됩니다. 이 하이브리드 재료는 풀러렌 및 탄소 나노 튜브 모두의 유용한 특성을 갖는다. 특히, 이들은 우수한 필드 이미 터라는 것이 발견되었습니다. 복합 재료에서, 부착 된 플러렌 분자는 나노 튜브의 미끄러짐을 방지하는 분자 앵커로서 기능 할 수 있으며, 복합 재료의 기계적 성질을 향상시킨다.
탄소 팟은 탄소 나노 튜브 내부의 플러렌 (fullerene)을 포획하는 새로운 하이브리드 탄소 재료입니다.가열과 조사로 흥미로운 자기 특성을 가질 수 있습니다. 또한 이론적 조사 및 예측 중에 발진기로 적용 할 수도 있습니다.
이론적으로, 나노 톨루스 (nanotorus)는 토러스 (도넛 형)로 구부러진 탄소 나노 튜브입니다. Nanotori는 특정 반경에서 이전에 기대했던 것보다 1000 배 큰 자기 모멘트와 같은 많은 고유 한 특성을 가질 것으로 예측됩니다. 자기 모멘트, 열 안정성 등과 같은 특성은 토러스의 반지름과 튜브 반경에 따라 크게 다릅니다.
그래파이트 형 탄소 나노 튜브는 다중 벽 또는 대나무 형 CNT의 측벽을 따라 성장 된 흑연 성 엽층을 결합한 상대적으로 새로운 잡종입니다. 엽층 밀도는 그라 핀 (<10) 몇 층에서 더 두껍고 더 흑연과 같은 구조에 이르기까지 증착 조건 (예 : 온도 및 시간)에 따라 달라질 수 있습니다. 통합 된 그래 핀 -CNT 구조의 근본적인 이점은 CNT의 표면적이 큰 3 차원 골격과 그라 핀의 높은 에지 밀도가 결합 된 것입니다. 정렬 된 CNT의 길이를 따라 고밀도의 그래 핀 엽전을 증착하면 다른 탄소 나노 구조에 비해 명목 면적당 총 충전 용량을 상당히 증가시킬 수 있습니다.
Cup-stacked carbon nanotubes (CSCNTs)는 다른 quasi-1D 탄소 구조와 다른데, 이는 일반적으로 전자의 준 금속 도체로 작용합니다. CSCNT는 그라 펜 층의 스태킹 미세 구조로 인해 반도체 거동을 나타낸다.
극한의 탄소 나노 튜브
지금까지 성장한 가장 긴 탄소 나노 튜브의 관측치는 2013 년에 1 / 2m (550mm 길이) 이상이보고되었다.이 나노 튜브는 향상된 화학 기상 증착 (CVD) 방법을 사용하여 실리콘 기판 위에서 성장되었으며 전기적으로 균일 한 단일 – 벽 탄소 나노 튜브.
가장 짧은 탄소 나노 튜브는 2008 년에 합성 된 유기 화합물 인 시클로 파라 페닐 렌이다.
가장 얇은 탄소 나노 튜브는 직경 0.3 nm의 안락 의자 (2.2) CNT입니다. 이 나노 튜브는 다중 벽 탄소 나노 튜브 내부에서 성장했습니다. 탄소 나노 튜브 유형의 할당은 고해상도 투과 전자 현미경 (HRTEM), 라만 분광법 및 밀도 함수 이론 (DFT) 계산의 조합으로 수행되었습니다.
가장 얇은 자립형 단일 벽 탄소 나노 튜브는 직경이 약 0.43 nm입니다. 연구진은 SWCNT가 (5,1) 또는 (4,2) SWCNT 일 수 있다고 제안했으나 정확한 유형의 탄소 나노 튜브는 여전히 의문의 여지가있다.(3,3), (4,3) 및 (5,1) 탄소 나노 튜브 (직경 약 0.4nm 모두)는 이중 벽 CNT 내부에서 수차 보정 고해상 투과 전자 현미경을 사용하여 모호하지 않게 확인되었다.
최고 밀도의 CNT는 2013 년에 달성되었으며, 450 ℃의 일반적인 온도보다 낮은 온도에서 코발트 및 몰리브덴이 촉매로 코팅 된 전도성 티타늄 코팅 구리 표면에서 성장했습니다. 관은 평균 380 nm의 높이와 1.6 g cm-3의 질량 밀도를 평균화했다. 재료는 옴 도전성을 보였다 (최저 저항 ~ 22 kΩ).
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기계
탄소 나노 튜브는 인장 강도와 탄성 계수 측면에서 아직 발견 된 가장 강하고 단단한 물질입니다. 이 강도는 개별 탄소 원자들 사이에 형성된 공유 결합으로 인해 발생한다. 2000 년 다중 벽 탄소 나노 튜브는 63 기가 파스칼 (9,100,000 psi)의 인장 강도를 갖도록 테스트되었습니다. (예를 들어, 이는 단면적이 1 평방 밀리미터 (0.0016 제곱미터) 인 케이블에서 6,422 킬로그램의 힘 (62,980 N; 14,160 lbf)에 해당하는 중량의 인장력을 견딜 수있는 능력으로 해석됩니다. 2008 년에 행해진 것처럼, 개별 CNT 껍질은 양자 / 원자 모델과 일치하는 약 100 기가 파스칼 (15,000,000 psi)의 장점을 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 탄소 나노 튜브는 1.3 ~ 1.4 g / cm3의 고형물에 대해 낮은 밀도를 가지기 때문에 고 탄소강의 154 kN • m에 비해 48,000 kN • m • kg-1의 비중이 알려진 물질 중에서 가장 우수합니다. kg -1.
개별 CNT 껍질의 강도는 매우 높지만 인접한 껍질과 튜브 사이의 약한 전단 상호 작용은 다중 벽 탄소 나노 튜브 및 탄소 나노 튜브 번들의 유효 강도를 단 몇 GPa로 현저히 감소시킵니다. 이 제한은 내부 껍질과 튜브를 가교시키는 고 에너지 전자 조사를 적용하여 최근 해결되었으며 다중 벽 탄소 나노 튜브의 경우 약 60 GPa까지, 이중벽 탄소 나노 튜브 번들의 경우 약 17 GPa까지 효과적으로 증가합니다 . CNT는 압박감이 거의 없습니다. 중공 구조 및 높은 종횡비로 인해 압축, 비틀림 또는 굽힘 응력하에 놓이면 좌굴이 발생하는 경향이 있습니다.
반면 반경 방향에서는 다소 부드럽다는 증거가있었습니다. 반경 방향 탄성의 첫 번째 투과 전자 현미경 관찰은 van der Waals 힘조차 두 개의 인접한 나노 튜브를 변형시킬 수 있음을 시사했다. 나중에 다중 벽 탄소 나노 튜브의 방사성 탄성을 정량적으로 측정하기 위해 원자력 현미경을 이용한 나노 인 덴션을 여러 그룹에서 수행했으며 단일 벽 탄소 나노 튜브에서도 태핑 / 접촉 모드 원자력 현미경 검사를 수행했습니다. 수 GPa 단위의 영률은 CNT가 실제로 반경 방향에서 매우 부드럽다는 것을 보여 주었다.
전기 같은
2 차원 반자동 인 그래 핀과는 달리, 탄소 나노 튜브는 관축을 따라 금속 또는 반도체입니다. 주어진 (n, m) 나노 튜브의 경우 n = m이면 나노 튜브는 금속이다. n-m이 3의 배수이고 n ≠ m이고 nm ≠ 0 인 경우, 나노 튜브는 매우 작은 밴드 갭을 갖는 준 금속성이며, 그렇지 않으면 나노 튜브는 적당한 반도체이다. 따라서 모든 안락 의자 (n = m) 나노 튜브는 금속이며, 나노 튜브 (6,4), (9,1) 등은 반도체입니다. 탄소 나노 튜브는 퇴화 지점 (π [본딩] 밴드가 에너지를 0으로하는 π * [앤티 본딩] 밴드를 만나는 점)이 브릴 루앙 존의 K 포인트에서 약간 이동하기 때문에 반 금속이 아닙니다 튜브 표면의 곡률로 인해 σ *와 π * 반 결합 밴드 사이의 혼성화가 일어나 밴드 분산이 수정됩니다.
작은 직경 튜브에서 곡률 효과가 전기 특성에 크게 영향을 줄 수 있기 때문에 금속 대 반도체 거동에 관한 규칙은 예외가 있습니다. 따라서 실제로 반도체가되어야하는 (5,0) SWCNT는 계산에 따라 금속이다. 마찬가지로, 지름이 작은 지그재그 및 키랄 SWCNT는 금속이어야하며 유한 간격 (안락 의자 나노 튜브는 금속성으로 유지됨)을 가져야합니다. 이론적으로 금속 나노 튜브는 전류 밀도가 4 x 109 A / cm2 일 수 있는데, 이것은 구리와 같은 금속보다 1,000 배 이상 크다. 구리 상호 연결의 경우 전류 밀도는 일렉트로 마이그레이션에 의해 제한된다. 따라서 탄소 나노 튜브는 상호 연결, 복합 재료의 전도성 향상 성분으로 연구되고 있으며 많은 그룹이 개별 탄소 나노 튜브로 조립 된 고도로 전도성있는 전선을 상품화하려고 시도하고 있습니다. 그러나, 전압 하에서 원하지 않는 전류 포화, 훨씬 더 저항성 인 나노 튜브 – 나노 튜브 접합부 및 불순물과 같은 거대한 도전이 극복되어야한다. 이들 모두는 거시적 인 나노 튜브 와이어의 전기 전도도를 비교하여 개별 나노 튜브의 전도도에 영향을 미친다.
나노 스케일 횡단면 때문에 전자는 튜브의 축을 따라 전파됩니다. 결과적으로, 탄소 나노 튜브는 종종 1 차원 도체로 불린다. 단일 벽 탄소 나노 튜브의 최대 전기 전도도는 2G0입니다. 여기서 G0 = 2e2 / h는 단일 탄도 (bulkistic) 양자 채널의 컨덕턴스입니다.
그래 핀의 전자 특성을 결정할 때 π 전자 시스템의 역할 때문에 탄소 나노 튜브의 도핑은 주기율표의 동일한 그룹 (예 : 실리콘)의 벌크 결정질 반도체의 도핑과 다릅니다. 붕소 또는 질소 도펀트에 의한 나노 튜브 벽 내의 탄소 원자의 그래파이트 치환은 실리콘에서 예상되는 바와 같이 각각 p 형 및 n 형 거동을 유도한다. 그러나 알칼리 금속뿐만 아니라 전자가 풍부한 메탈로 센과 같은 탄소 나노 튜브에 도입 된 일부 비 치환 (삽입 또는 흡착) 된 도판 트는 나노 튜브의 π 전자 시스템에 전자를 제공하기 때문에 n 형 전도를 초래합니다. 대조적으로, FeCl3 또는 전자 불완전 메탈로 센과 같은 π- 전자 억 셉터는 π- 전자를 원자가 밴드의 상부로부터 멀리 끌어 내므로 p 형 도펀트로서 기능한다.
고유 한 초전도성이보고되었지만 다른 실험에서도이 사실에 대한 증거는 발견되지 않아이 주장을 논쟁의 대상으로 남겨 두었다.
광학
탄소 나노 튜브는 유용한 흡수, 광 발광 (형광) 및 라만 분광학 특성을 갖는다. 분광법은 상대적으로 많은 양의 탄소 나노 튜브를 빠르고 비파괴 적으로 특성화 할 수있는 가능성을 제공합니다. 산업적 관점에서 그러한 특성화에 대한 강한 요구가있다. 나노 튜브 합성의 수많은 매개 변수가 의도적으로 또는 비 의도적으로 나노 튜브 품질을 변경하기 위해 변경 될 수있다. 아래에 나와있는 것처럼 광 흡수, 광 발광 및 라만 분광기는 비 관형 탄소 함량, 생성 된 나노 튜브의 구조 (키라 리티) 및 구조적 결함과 관련하여이 “나노 튜브 품질”의 신속하고 신뢰성있는 특성 분석을 가능하게합니다. 이러한 특징은 광학적, 기계적 및 전기적 특성과 같은 거의 모든 다른 특성을 결정합니다.
탄소 나노 튜브는 압연 된 단일 시트의 흑연 (또는보다 정확하게는 그래 핀)으로 구상 될 수있는 독특한 “1 차원 시스템”입니다. 이 롤링은 다른 각도와 곡률로 수행되어 다른 나노 튜브 특성을 얻을 수 있습니다. 직경은 전형적으로 0.4 ~ 40nm (즉, “~ 100 회”) 범위에서 다양하지만, 길이는 0.14 nm ~ 55.5 cm 사이에서 100,000,000,000 배까지 다양합니다. 나노 튜브의 종횡비 또는 길이 대 직경의 비율은 다른 재료에 필적할만한 132,000,000 : 1로 높을 수 있습니다. 결과적으로, 전형적인 반도체의 탄소 나노 튜브의 특성에 비해서 탄소 나노 튜브의 모든 특성은 매우 비 등방성 (방향성에 의존)하고 조정 가능하다.
탄소 나노 튜브의 기계적, 전기적 및 전기 화학적 (수퍼 커패시터) 특성이 잘 확립되어 있고 즉각적인 응용이 있지만, 광학 특성의 실제적인 사용은 아직 명확하지 않다. 광학 특성 및 포토닉스에 유용 할 수 있습니다. 특히 단일 나노 튜브를 기반으로 한 발광 다이오드 (LED)와 광 검출기가 실험실에서 제작되었습니다. 그들의 독특한 특징은 효율성이 아니며, 상대적으로 낮지 만 빛의 방출 및 검출 파장의 좁은 선택성과 나노 튜브 구조를 통한 미세 조정의 가능성입니다. 또한, 단일 벽 탄소 나노 튜브의 앙상블상에서 볼로미터 및 광전자 메모리 소자가 실현되었다.
결정 결함은 튜브의 전기적 특성에도 영향을 미친다. 일반적인 결과는 튜브의 결함 영역을 통해 전도도를 낮추는 것입니다. 안락 의자 형 튜브 (전기를 통할 수 있음)의 결함은 주변 지역이 반도체 화되고 단일 단일 원자 공공이 자기 성질을 유도 할 수 있습니다.
열의
모든 나노 튜브는 튜브를 따라 매우 좋은 열전 도체가 될 것으로 예상되며, “탄도 전도”로 알려진 특성을 나타내지 만 튜브 축의 측면에는 우수한 절연체가 있습니다. 측정 결과에 따르면 개별 SWNT의 축 방향 열전도율은 약 3500W • m-1 • K-1입니다. 이를 385 W • m-1 • K-1을 전달하는 좋은 열 전도성으로 잘 알려진 구리 인 구리와 비교해보십시오. 개별 SWNT는 약 1.52 W • m-1 • K-1의 축 (반경 방향)을 가로 지르는 실온 열전도도를 지니 며 이는 토양만큼 열 전도성이 있습니다. 필름 또는 섬유와 같은 나노 튜브의 거시적 어셈블리는 지금까지 최대 1500W • m-1 • K-1에 도달했습니다. 탄소 나노 튜브의 온도 안정성은 진공에서는 약 2800 ° C까지, 공기 중은 약 750 ° C까지입니다.
결정 결함은 튜브의 열적 특성에 큰 영향을 미친다. 이러한 결함은 포논 산란을 일으키고, 이는 포논의 이완 속도를 증가시킨다. 이것은 평균 자유 경로를 감소시키고 나노 튜브 구조물의 열전도도를 감소시킨다. 포논 전송 시뮬레이션은 질소 또는 붕소와 같은 대체 결함이 주로 고주파 광학 포논의 산란을 유도 함을 나타냅니다. 그러나 스톤 웨일즈 (Stone Wales) 결함과 같은 대규모 결함은 넓은 범위의 주파수에서 포논 산란을 일으켜 열전도도를 크게 감소시킵니다.
합성
아크 방전, 레이저 제거, 화학 기상 증착 (CVD) 및 고압 일산화탄소 불균등 화 (HiPCO)를 포함하는 상당한 양의 나노 튜브를 생산하는 기술이 개발되었습니다. 이들 아크 방전 중 레이저 어블 레이션 (laser ablation), 화학 기상 증착 (chemical vapor deposition, CVD)은 회분식 (batch by batch) 공정이며, HiPCO는 기상 연속 공정이다. 이러한 공정의 대부분은 진공 또는 공정 가스로 수행됩니다. CVD 성장 방법은 높은 양을 산출하고 직경, 길이 및 형태에 대한 제어 정도가 있으므로 대중적이다. 미립자 촉매를 사용하면 다량의 나노 튜브가이 방법으로 합성 될 수 있지만 반복성을 달성하는 것은 CVD 성장의 주요 문제가됩니다. HiPCO 공정은 촉매 작용과 진보에 따라 CNT를 더 상업적으로 실용화시키고 있습니다. HiPCO 공정은 고순도 단일 벽 탄소 나노 튜브를 대량으로 생산하는 데 도움이됩니다. HiPCO 원자로는 고온 900-1100 ° C 및 고압 ~30-50 bar에서 작동합니다. 그것은 일산화탄소를 탄소 공급원으로 사용하고 니켈 / 철 펜타 카보 닐을 촉매로 사용합니다. 이러한 촉매는 나노 튜브가 성장하기위한 핵 형성 자리 역할을합니다.
수직 정렬 된 탄소 나노 튜브 어레이 또한 열적 화학 기상 증착에 의해 성장된다. 기판 (석영, 실리콘, 스테인리스 강 등)은 촉매 금속 (Fe, Co, Ni) 층으로 코팅된다. 전형적으로 그 층은 철이고, 스퍼터링을 통해 1-5 nm의 두께로 증착된다. 알루미나의 10-50 nm 하부층은 또한 종종 기판 상에 놓여진다. 이는 조절 가능한 습윤 및 우수한 계면 특성을 부여합니다. 기판을 성장 온도 (~ 700 ° C)로 가열하면 연속적인 철막이 작은 섬으로 나뉘어져 각 섬이 탄소 나노 튜브에 핵을 형성합니다. 스퍼터링 된 두께는 섬 크기를 제어하며, 이것은 차례로 나노 튜브 직경을 결정합니다. 더 얇은 철층은 섬의 지름을 몰아 내고 성장한 나노 튜브의 직경을 줄입니다. 금속 섬이 성장 온도에 머무를 수있는 시간은 이동하기 쉽기 때문에 제한적이며 더 큰 (그러나 더 적은) 섬으로 합쳐질 수 있습니다. 성장 온도에서의 어닐링은 촉매의 직경을 증가시키면서 현장 밀도 (CNT / mm2의 수)를 감소시킨다.
제조 된 탄소 나노 튜브는 항상 다른 형태의 탄소 (비정질 탄소, 풀러렌 등) 및 비 탄소 질 불순물 (촉매에 사용되는 금속성 물)과 같은 불순물을 가지고있다. 이러한 불순물은 적용시 카본 나노 튜브를 사용하기 위해 제거되어야합니다.
도량형
탄소 나노 튜브에는 많은 계량 표준 및 참고 자료가 있습니다.
단일 벽 탄소 나노 튜브의 경우 ISO / TS 10768 및 ISO / TS 10798은 광학 흡수 분광학을 통해 금속 나노 튜브의 직경, 순도 및 분율을 측정하는 방법을 설명하고, ISO / TS 10798은 형태 및 원소 조성을 특성화하는 방법을 확립합니다 투과형 전자 현미경 및 주사 전자 현미경을 각각 사용하여 단일 벽 탄소 나노 튜브를 에너지 분산 형 X 선 분광 분석과 결합한 것입니다.
다중 벽 탄소 나노 튜브의 경우 ISO / TR 10929는 기본 특성 및 불순물 함량을 식별하며 ISO / TS 11888은 주 사형 전자 현미경, 투과 전자 현미경, 점도 측정 및 광산란 분석을 사용하여 형태를 기술합니다. ISO / TS 10798은 다중 벽 탄소 나노 튜브에도 유효합니다.
화학 개질
탄소 나노 튜브는 다양한 응용 분야에서 사용될 수있는 원하는 특성을 얻기 위해 기능화 될 수 있습니다. 탄소 나노 튜브 기능화의 두 가지 주요 방법은 공유 결합 및 비공유 결합 변형이다. 그들의 명백한 소수성 때문에, 탄소 나노 튜브는 응집되어 용매 또는 점성 중합체 용융물에서의 분산을 방해합니다.생성 된 나노 튜브 번들 또는 응집체는 최종 합성물의 기계적 성능을 감소시킨다. 탄소 나노 튜브의 표면은 화학적 결합을 통해 벌크 폴리머에 대한 소수성을 감소시키고 계면 접착력을 향상 시키도록 변형 될 수있다.
또한 탄소 나노 튜브의 표면은 fluorocarbons, hydro-or halofluorocarbons를 CVD 법으로 플루오르 화하거나 할로 플루오르화할 수 있는데, 이러한 탄소 물질을 fluorousganic 물질과 접촉시키면서 가열함으로써 그라프 팅 된 (할로) 플루오로 알킬을 가진 부분 플루오르 화 탄소 (소위 Fluocar 물질) 기능.
응용 프로그램
흐름
나노 튜브의 현재의 사용 및 적용은 나노 튜브의 다소 조직화되지 않은 조각 인 대량 나노 튜브의 사용에 주로 제한되어왔다. 벌크 나노 튜브 재료는 개별 튜브와 유사한 인장 강도를 결코 달성 할 수 없지만, 그러한 복합 재료는 그럼에도 불구하고 많은 응용 분야에 충분한 강도를 제공 할 수 있습니다. 벌크 카본 나노 튜브는 벌크 제품의 기계적, 열적 및 전기적 특성을 개선하기 위해 폴리머에서 복합 섬유로 사용되었습니다.
Easton-Bell Sports, Inc.는 Zyvex Performance Materials와 제휴하여 평면 및 라이저 핸들 바, 크랭크, 포크, 시트 포스트, 스템 및 에어로 바를 포함한 다수의 자전거 구성 요소에서 CNT 기술을 사용했습니다.
Zyvex Technologies는 또한 CNT 기술을 사용하여 가능한 기술 시연 자로 54 ‘해상 선박 인 Piranha Unmanned Surface Vessel을 건조했습니다. CNT는 선박의 구조 성능을 향상시켜 2,500 마일의 범위에서 15,000 파운드의 탑재 하중을 지탱할 수있는 가벼운 8,000 파운드 보트를 탄생시킵니다.
Amroy Europe Oy는 탄소 나노 튜브가 화학적으로 활성화되어 에폭시에 결합 된 Hybtonite 탄소 나노 에폭시 수지를 제조하여 다른 복합 재료보다 20 ~ 30 % 강한 복합 재료를 만듭니다. 그것은 풍력 터빈, 해양 페인트 및 스키, 아이스 하키 스틱, 야구 박쥐, 사냥 화살표 및 서핑 보드와 같은 다양한 스포츠 용품에 사용되었습니다.
보잉 社는 항공기 구조물에 사용되는 복합 재료의 구조 건강 모니터링을 위해 탄소 나노 튜브의 사용에 대한 특허를 취득했습니다. 이 기술은 항공기의 구조적 저하로 인한 기내 고장의 위험을 크게 줄입니다.
다른 현재 응용 프로그램은 다음과 같습니다.
원자력 현미경 프로브 팁
조직 공학에서 탄소 나노 튜브는 뼈 성장을위한 비계 역할을 할 수 있습니다.
현대 응용 프로그램에 대한 현재 연구는 다음과 같습니다.
다양한 미세 가공 기술을위한 비계로서 탄소 나노 튜브를 사용합니다.
전계의 영향하에 자기 조직 된 나노 구조에서의 에너지 소산
활성 표면적 및 가스 흡수 능력으로 인해 환경 모니터링에 탄소 나노 튜브를 사용합니다.
가능성
탄소 나노 튜브의 강도와 유연성은 나노 기술 공학에서 중요한 역할을 할 것이라고 제안하는 다른 나노 구조를 제어하는 데 잠재적 인 이용을 가능하게합니다. 개별 다중 벽 탄소 나노 튜브의 최고 인장 강도는 63 GPa로 테스트되었습니다. 탄소 나노 튜브는 다마스쿠스 강에서 17 세기부터 발견되었는데 아마도 칼로 만든 칼의 전설적인 힘을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 최근에, 몇몇 연구는 탄소 나노 튜브를 모든 탄소 장치의 3 차원 거시적 (1mm 이상> 3 차원)으로 제조하기위한 빌딩 블록으로 사용하는 전망을 강조했다. Lalwani et al. 단일 벽 및 다중 벽 탄소 나노 튜브를 빌딩 블록으로 사용하여 거시적 인, 독립형, 다공성, 모든 탄소 구조의 스캐 폴드를 제조하기위한 새로운 라디칼 개시 열 가교 방법을 발표했다. 이 발판은 거시적, 미세 및 나노 구조의 공극을 가지고 있으며 다공성은 특정 용도에 맞게 조정할 수 있습니다. 이 3D 카본 스캐 폴드 / 아키텍처는 차세대 에너지 저장 장치, 수퍼 커패시터, 전계 방출 트랜지스터, 고성능 촉매, 광전지, 생물 의학 장치 및 임플란트의 제조에 사용될 수 있습니다.
CNT는 미래의 비아 (via) 및 나노 스케일의 VLSI 회로의 와이어 물질에 대한 잠재적 인 후보자입니다.오늘날의 Cu 인터커넥트를 괴롭히는 일렉트로 마이그레이션 신뢰성 문제를 제거한 절연 (단일 및 다중 벽) CNT는 일렉트로 마이그레이션 손상없이 1000 MA / sq-cm을 초과하는 전류 밀도를 전달할 수 있습니다.
대량의 순수한 CNT는 표면 특성이 우수한 테이프 캐스팅 (SETC) 제조 기술로 독립형 시트 또는 필름으로 만들 수 있습니다.이 기술은 우수한 특성을 지닌 유연하고 접을 수있는 시트를 제조 할 수있는 확장 가능한 방법입니다. 또 다른보고 된 폼 팩터는 습식 방사에 의한 CNT 섬유 (일명 필라멘트)입니다.섬유는 합성 냄비에서 직접 방사되거나 미리 만들어진 용해 된 CNT에서 방사됩니다. 개별 섬유는 원사로 바뀔 수 있습니다. 강도와 유연성 외에도 전기 전도성 원사를 만드는 것이 주요 이점입니다. 개별 CNT 섬유 (즉, 개별 CNT의 묶음)의 전자 특성은 CNT의 2 차원 구조에 의해 결정됩니다. 섬유는 300K에서 금속 전도체보다 한 단계 더 높은 저항률을 갖도록 측정되었습니다. CNT 및 CNT 섬유를 더욱 최적화함으로써 향상된 전기적 특성을 갖는 CNT 섬유를 개발할 수 있습니다.
CNT- 기반 얀은 이온 교환막으로 코팅 될 때 에너지 및 전기 화학적 수처리에서의 응용에 적합하다.또한, CNT- 기반 얀은 구리를 감기 재료로 대체 할 수있다. Pyrhönen et al. (2015)는 CNT 와인딩을 사용하여 모터를 제작했습니다.
안전 및 건강
국립 직업 안전 보건 연구소 (NIOSH)는 산업 안전 보건에 대한 연구와 나노 기술의 응용에 대한 지침을 제공하는 선도적 인 미국 연방 기관입니다. 초기 과학 연구에 따르면 이러한 나노 스케일 입자 중 일부는이 물질의 더 큰 벌크 형태보다 더 큰 건강 위험을 제기 할 수 있습니다.NIOSH는 2013 년에 잠재적 인 위험에 대해 자세히 설명하고 탄소 나노 튜브와 섬유의 노출 한도를 권고하는 Current Intelligence Bulletin을 발행했습니다.
2016 년 10 월 기준 단일 벽 탄소 나노 튜브는 SWCNT의 잠재적으로 위험한 특성을 평가하여 EU의 등록, 평가, 허가 및 제한 화학 물질 (REACH) 규정을 통해 등록되었습니다. 이 등록을 기반으로 SWCNT 상품화가 EU에서 최대 10 미터 톤까지 허용됩니다. 현재 REACH를 통해 등록 된 SWCNT 유형은 신청서를 제출 한 OCSiAl이 제조 한 단일 벽 탄소 나노 튜브의 특정 유형으로 제한됩니다.