Углеродная нанопена
Углеродная нанопена — это аллотроп углерода, открытый в 1997 году Андреем В. Роудом и его коллегами в Австралийском национальном университете в Канберре . [1] Он состоит из кластера атомов углерода, связанных в рыхлую трехмерную паутину. структура Фрактальная связи состоит из sp 2 графитоподобные кластеры, соединенные sp 3 облигации. СП 3 связи располагаются преимущественно на поверхности структуры и составляют от 15 до 45% материала, что делает его каркас похожим на алмазоподобные углеродные пленки. [2] Материал удивительно легкий, плотностью 2-10 х 10. −3 г/см 3 (0,0012 фунт/фут 3 ) и похож на аэрогель . [1] [3] Другие замечательные физические свойства включают большую площадь поверхности 300–400 м². 2 /г (аналогично цеолитам ). [4] 1 галлон США (3,8 л; 0,83 имп галлона) нанопены весит около 0,25 унции (7,1 г). [5]
Каждый кластер имеет ширину около 6 нанометров и состоит примерно из 4000 атомов углерода , связанных в графитоподобные листы, которым придается отрицательная кривизна за счет включения семиугольников в правильный шестиугольный узор. Это противоположно тому, что происходит в случае бакминстерфуллеренов , в которых углеродным листам придается положительная кривизна за счет включения пятиугольников .
Крупномасштабная структура углеродной нанопены аналогична структуре аэрогеля , но ее плотность составляет 1% от плотности ранее произведенных углеродных аэрогелей , что всего в несколько раз превышает плотность воздуха на уровне моря . В отличие от углеродных аэрогелей , углеродная нанопена является плохим проводником электричества . Нанопена содержит множество неспаренных электронов , которые, как предполагают Роде и его коллеги, обусловлены атомами углерода только с тремя связями, которые находятся в топологических и связующих дефектах. Это приводит к тому, что, пожалуй, является самой необычной особенностью углеродной нанопены: она притягивается к магнитам, а при температуре ниже -183 °C сама может стать магнитной.
Углеродная нанопена — единственная известная ферромагнитная форма чистого углерода , что необычно для аллотропа углерода. [6] Ферромагнетизм является внутренним свойством, наблюдаемым в углеродной нанопене, и может быть объяснен ее сложной структурой. Примеси в материале исключены как источник магнетизма, поскольку их недостаточно для наблюдаемой сильной намагниченности. Исследователи постулируют, что внедренные атомы углерода с неспаренными электронами несут достаточный магнитный момент , чтобы привести к сильной намагниченности. [6] Кривизна листа локализует неспаренные электроны, разрушая облака π-электронов , и стерически защищает электроны, которые обычно были бы слишком реактивными, чтобы сохраняться. Ферромагнетизм углеродной нанопены чувствителен к времени и температуре. Некоторая часть магнетизма теряется в течение первых нескольких часов синтеза, однако большая его часть сохраняется. [6] Углеродная нанопена может найти применение в устройствах спинтроники , которые используют спин электрона как дополнительную степень свободы .
Углеродная нанопена может подойти для хранения водорода из-за ее низкой плотности и большой площади поверхности. Предварительные эксперименты показали, что водород может храниться в нанопене при комнатной температуре в обратимом процессе. [4]
Синтез
[ редактировать ]Кластеры углеродной нанопены можно синтезировать посредством высокочастотной лазерной абляции в инертных газах, таких как аргон . Короткие ( фс ) импульсы низкой энергии (мкДж), подаваемые с высокой частотой повторения (10 кГц – 100 МГц), генерируют пары углерода для осаждения. [2] Окружающий газ нагревается от комнатной температуры распыленным углеродом, что приводит к увеличению парциальной плотности углерода в камере. В оптимальных условиях инертный газ не остывает, а сохраняет высокую температуру между циклами формирования. Последующие циклы в камере проводятся при температурах выше пороговой температуры образования, инициирующей sp. 2 склеивание. Увеличение плотности и температуры способствует благоприятным условиям для образования углеродистых кластеров. Скорость расходования превышает скорость испарения при лазерной абляции и, таким образом, пласт находится в неравновесном состоянии.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Роде, А.В.; Хайд, Северная Каролина; Гамалий, Е.Г.; Эллиман, Р.Г.; Маккензи, доктор медицинских наук; Балкок, С. (1999). «Структурный анализ углеродной пены, полученной в результате высокочастотной лазерной абляции». Прикладная физика A: Материаловедение и обработка . 69 (7): С755–С758. Бибкод : 1999ApPhA..69S.755R . дои : 10.1007/s003390051522 . S2CID 96050247 .
- ^ Jump up to: а б Роде, А.В.; Гамалий, Е.Г.; Лютер-Дэвис, Б. (1 февраля 2000 г.). «Формирование кластерной углеродной нанопены путем высокочастотной лазерной абляции». Прикладная физика А. 70 (2): 135–144. Бибкод : 2000ApPhA..70..135R . дои : 10.1007/s003390050025 . hdl : 1885/35128 . ISSN 1432-0630 . S2CID 98408906 .
- ^ Зани, А.; Делласега, Д.; Руссо, В.; Пассони, М. (2013). «Углеродные пенопласты сверхнизкой плотности, полученные методом импульсного лазерного осаждения». Карбон . 56 : 358–365. doi : 10.1016/j.carbon.2013.01.029 .
- ^ Jump up to: а б Блинк, Р.; Аркон, Д.; Умек, П.; Апих, Т.; Милия, Ф.; Роде, А.В. (2007). «Углеродная нанопена как потенциальный материал для хранения водорода». Физический статус Solidi B. 244 (11): 4308–4310. Бибкод : 2007PSSBR.244.4308B . дои : 10.1002/pssb.200776149 . ISSN 1521-3951 .
- ^ Кеннет Чанг (6 апреля 2004 г.). «Новый чешуйчатый углерод: он легкий и магнитный» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ Jump up to: а б с Роде, А.В.; Гамалий, Е.Г.; Кристи, AG; Фитц Джеральд, JG; Хайд, Северная Каролина; Эллиман, Р.Г.; Лютер-Дэвис, Б.; Вейнгер, А.И.; Андрулакис, Дж.; Гиапинцакис, Дж. (17 августа 2004 г.). «Нетрадиционный магнетизм в полностью углеродной нанопене». Физический обзор B . 70 (5): 054407. arXiv : cond-mat/0310751 . Бибкод : 2004PhRvB..70e4407R . doi : 10.1103/PhysRevB.70.054407 . S2CID 4011768 .