Углеродный наноконус
Углеродные наноконусы представляют собой конические структуры, которые состоят преимущественно из углерода и имеют по крайней мере один размер порядка одного микрометра или меньше. Наноконусы имеют высоту и диаметр основания одного порядка; это отличает их от нанопроволок с наконечниками , длина которых намного превышает их диаметр. Наноконусы встречаются на поверхности природного графита . Полые углеродные наноконусы также можно получить путем разложения углеводородов с помощью плазменной горелки. Электронная микроскопия показывает, что угол раскрытия ( вершины ) конусов не является произвольным, а имеет предпочтительные значения примерно 20°, 40° и 60°. Это наблюдение было объяснено моделью стенки конуса, состоящей из обернутых листов графена , где геометрическое требование бесшовного соединения естественным образом учитывало полудискретный характер и абсолютные значения угла конуса. Родственная углеродная наноформа — это одностенный углеродный нанорог , который обычно образует агрегаты размером 80–100 нм.
Отдельно стоящие полые конусы
[ редактировать ]История и синтез
[ редактировать ]Углеродные наноконусы производятся в ходе промышленного процесса, в ходе которого углеводороды разлагаются на углерод и водород с помощью плазменной горелки с температурой плазмы выше 2000 °C. Этот метод часто называют Kvaerner Carbon Black & Hydrogen Process (CBH), и он относительно «без выбросов», т. е. производит довольно небольшое количество загрязнителей воздуха . При определенных хорошо оптимизированных и запатентованных условиях [ 2 ] выход твердого углерода состоит примерно из 20% углеродных наноконусов, 70% плоских углеродных дисков и 10% технического углерода . [ 1 ]
Плазменное разложение углеводородов давно известно и применяется, например, для получения углеродных фуллеренов . Даже если он не оптимизирован, он дает небольшое количество углеродных наноконусов, которые непосредственно наблюдались с помощью электронного микроскопа еще в 1994 году. [ 3 ] и их атомная структура была теоретически смоделирована в том же году. [ 4 ] [ 5 ]
Моделирование
[ редактировать ]
Открытый углеродный конус можно смоделировать как обернутый лист графена . Чтобы получить недеформируемую, бесшовную упаковку, из листа необходимо вырезать сектор. Этот сектор должен иметь угол n × 60°, где n = 1,..., 5. Следовательно, результирующий угол конуса должен иметь только определенные дискретные значения α = 2 arcsin(1 − n /6) = 112,9°. , 83,6°, 60,0°, 38,9° и 19,2° для n = 1, ..., 5 соответственно. Лист графена состоит исключительно из углеродных шестиугольников , которые не могут образовывать сплошную коническую шапку. Как и в фуллеренах, пятиугольники для образования изогнутой вершины конуса необходимо добавить , и их число соответственно n = 1,...,5. [ 1 ]
Наблюдение
[ редактировать ]Наблюдения электронной микроскопии подтверждают предсказание модели о дискретных углах конуса, хотя необходимо учитывать два экспериментальных артефакта: зарядку плохо проводящих углеродных образцов под действием электронного луча, которая размывает изображения, и то, что наблюдения электронной микроскопии при фиксированном наклоне образца дают только двумерная проекция, тогда как требуется трехмерная форма. Первое препятствие преодолевается путем покрытия конусов металлическим слоем толщиной в несколько нанометров. Вторая задача решается посредством анализа геометрической формы . В сочетании со значительной статистикой количества конусов это дает полудискретные углы при вершине. Их значения отклоняются от прогнозируемых примерно на 10% из-за ограниченной точности измерений и незначительного изменения толщины конуса по его длине. [ 1 ]
Толщина стенки конуса варьируется от 10 до 30 нм, но для некоторых наноконусов может достигать 80 нм. Для выяснения структуры стенок конуса были сняты картины дифракции электронов при различных ориентациях конуса. Их анализ показывает, что стенки содержат 10–30% упорядоченного материала, покрытого аморфным углеродом. Электронная микроскопия высокого разрешения показывает, что упорядоченная фаза состоит из почти параллельных слоев графена. [ 6 ] Аморфную фракцию можно превратить в хорошо упорядоченный графит путем отжига конусов при температуре около 2700 °C. [ 1 ]
Замечательной особенностью открытых углеродных наноконусов, полученных методом CBH, является их почти идеальная форма с прямыми стенками и круглыми основаниями. Встречаются и неидеальные шишки, но это исключения. Одним из таких отклонений был «двойной» конус, который выглядел так, как будто конус начал расти от вершины с определенным углом при вершине (например, 84 °), но затем резко изменил угол вершины (например, до 39 °) в одной точке. на его поверхности, вызывая тем самым излом наблюдаемого сечения конуса. Еще одной аномалией стал конус с вытянутой от точки до отрезка вершиной, как в расширенном кофейном фильтре (на рисунке показана плоская форма). [ 1 ]
Другие конусы
[ редактировать ]Углеродные конусы также наблюдались, начиная с 1968 года или даже раньше. [ 8 ] на поверхности природного графита. Их основания прикреплены к графиту, а высота варьируется от менее 1 до 40 микрометров. Их стенки часто изогнуты и менее регулярны, чем у наноконусов, изготовленных в лаборатории. Распределение угла их вершины также демонстрирует сильную особенность при 60°, но другие ожидаемые пики при 20° и 40° гораздо слабее, а для больших углов распределение несколько шире. Эта разница объясняется разной структурой стенок естественных конусов. Эти стенки имеют относительно неправильную форму и содержат многочисленные линейные дефекты (положительные клиновидные дисклинации ). Это нарушает требования к углу для бесшовного конуса и, следовательно, расширяет угловое распределение. [ 7 ]
Возможные применения
[ редактировать ]
Углеродные наноконусы использовались для покрытия ультратонких золотых игл. Такие иглы широко используются в сканирующей зондовой микроскопии благодаря высокой химической стабильности и электропроводности, однако их кончики подвержены механическому износу из-за высокой пластичности золота. Добавление тонкой углеродной насадки механически стабилизирует наконечник, не жертвуя при этом другими его свойствами. [ 9 ]
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Нэсс, Стайн Налум; Эльгсатер, Арнльот; Хельгесен, Гейр; Кнудсен, Кеннет Д. (2009). «Углеродные наноконусы: структура и морфология стенок» . Наука и технология перспективных материалов . 10 (6): 065002. Бибкод : 2009STAdM..10f5002N . дои : 10.1088/1468-6996/10/6/065002 . ПМК 5074450 . ПМИД 27877312 .
- ^ EP 1017622 , Линум С., Хугдал Дж., Хокс К., Хилдрам Р. и Нордвик М., «Производство микродоменных частиц с использованием плазменного процесса», выпущен 12 июля 2000 г.
- ^ Ге, Маохуэй; Саттлер, Клаус (1994). «Наблюдение фуллереновых конусов». Письма по химической физике . 220 (3–5): 192. Бибкод : 1994CPL...220..192G . дои : 10.1016/0009-2614(94)00167-7 .
- ^ Терронес, Умберто (1994). «Изогнутый графит и его математические преобразования». Журнал математической химии . 15 : 143. дои : 10.1007/BF01277556 .
- ^ Балабан А; Кляйн, Д; Лю, X (1994). «Графические конусы». Карбон . 32 (2): 357. doi : 10.1016/0008-6223(94)90203-8 .
- ^ Jump up to: а б Кришнан, А.; Дюжарден, Э.; Трейси, MMJ; Хугдаль, Дж.; Линум, С.; Эббесен, Т.В. (1997). «Графитовые конусы и зарождение изогнутых углеродных поверхностей» . Природа . 388 (6641): 451. Бибкод : 1997Natur.388..451K . дои : 10.1038/41284 .
- ^ Jump up to: а б Ящак, Дж (2003). «Природные графитовые конусы» (PDF) . Карбон . 41 (11): 2085. doi : 10.1016/S0008-6223(03)00214-8 .
- ^ Жилло, Дж; Боллманн, В; Люкс, Б. (1968). «181. Сигарообразные конические кристаллы графита». Карбон . 6 (2): 237. doi : 10.1016/0008-6223(68)90485-5 .
- ^ Jump up to: а б Кано-Маркес, Авраам Г.; Шмидт, Веслер Г.; Рибейру-Соареш, Дженайна; Густаво Кансадо, Луис; РОДРИГЕС, Вагнер Н.; САНТОС, Аделина П.; Фуртадо, Клацидия А.; Аутрето, Педро А.С.; Паупитц, Рикардо; ГАЛЬВИО, Дуглас С.; Хорио, Адо (2015). «Повышение механической стабильности нанотипов золота за счет инкапсуляции углеродных наноконусов» . Научные отчеты . 5 : 10408. Бибкод : 2015NatSR...510408C . дои : 10.1038/srep10408 . ПМЦ 4470435 . ПМИД 26083864 .
