Графеновая спираль
 | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( Май 2018 г. ) |
Спираль графена, похожая на углеродную нанотрубку , представляет собой структуру, состоящую из двумерного листа графена , завернутого в спираль . Эти графеновые листы могут иметь несколько слоев, называемых многостенными углеродными структурами, которые добавляются к этим спиралям, тем самым увеличивая их прочность на разрыв , но увеличивая сложность производства. Используя взаимодействия Ван-дер-Ваальса, он может создавать структуры друг в друге.
Электрические и магнитные свойства
[ редактировать ]Электрический
[ редактировать ]Графен обладает очень многообещающими электрическими свойствами. [ 1 ] Углеродные нанотрубки являются полуметаллами, то есть они либо металлические , либо полупроводниковые вдоль оси спирали, это может зависеть от кривизны спирали графена. Помимо обоих этих свойств, графен обладает уникальным и полезным свойством: он представляет собой «полуметалл с нулевым перекрытием». [ 2 ] Углеродные спирали обеспечивают высокую электрическую передачу в трехмерной плоскости. Благодаря прочности на разрыв, электропроводности и терморегуляции он полезен для биотехнологии. [ 3 ]
Магнитный
[ редактировать ]Подобно электрическим свойствам, электрические поля можно использовать на листе графена для поляризации связей и связывания исключительно на одной стороне листа графена. [ 4 ]
Термальный
[ редактировать ]Графен — отличный проводник тепла , но он также является отличным изолятором, перпендикулярным оси спирали. [ 5 ] Эти графеновые листы имеют теплопроводность 3500 Вт · м. −1 · К −1 , где медь имеет всего лишь 385 Вт·м −1 ·К −1 . [ 6 ]
Физические свойства
[ редактировать ]Благодаря различным электрическим, магнитным и термическим свойствам графен сам по себе обладает множеством уникальных характеристик, которые можно реализовать при использовании в качестве трехмерной структуры. Эти графеновые листы имеют предел прочности на разрыв 130 000 000 000 паскалей , что по сравнению с 400 000 000 паскалей у промышленной стали . [ 7 ] Это показывает возможности того, для чего можно использовать это вещество. Графен легкий по сравнению с такими материалами, как промышленная сталь, поскольку его вес составляет 0,77 миллиграмма на квадратный метр. [ 8 ] Каждый из этих листов графена состоит из поперечных связей углеродных цепей шириной в один атом. Эти паутины углеродных цепочек выглядят как страницы двумерных шестиугольников, единственное третье измерение которых имеет ширину всего в один атом.
Производство
[ редактировать ]Ранний синтез графена
[ редактировать ]Один из первых способов открытия графена заключался в том, чтобы взять кусок малярной ленты, поместить его на кусок углерода и оторвать, обнажив множество маленьких двумерных листов графена. Изготовление графена с помощью ленты действительно создает необходимые условия для того, чтобы эти графеновые листы имели ранее заявленную прочность на разрыв. [ 9 ]
Массовое производство графена
[ редактировать ]Практичность использования ленты для отделения этих листов друг от друга не соответствует объему производства, которое было бы необходимо при новых разработках графена. Это становится новой проблемой, поскольку качество листов полностью определяет, что с ними можно делать. В более крупных масштабах графен может быть получен из химически расслоенного природного добытого графита . [ 10 ]
Производство графеновых спиралей
[ редактировать ]Дуговой разряд и лазерная абляция
[ редактировать ]В этих двух немного разных процессах графен сжигается электрическим током или лазером, и спирали графена образуются при разделении газовых фаз, но в качестве катализаторов потребуется избыток металлов. [ 11 ]
Химическое осаждение из паровой фазы
[ редактировать ]Если рассматривать процесс, который имеет наиболее многообещающие перспективы в будущем, то графеновые спирали могут образовываться, когда катализаторы надавливаются на графеновые листы и создают возникающую спираль. Хотя процесс необходимо проводить при высоких температурах, его можно легко активировать и деактивировать исключительно за счет развития спиральной структуры.
Медицинские приложения
[ редактировать ]Секвенирование
[ редактировать ]Одним из наиболее интересных применений графеновой спирали могут стать новые способы раскручивания РНК и ДНК и использование графеновой спирали для изображения этих сложенных друг от друга нитей для дальнейшего секвенирования . [ 12 ] Разрыв этих связей РНК и XNA внутри этих спиральных структур графена приводит к тому, что водородные связи остаются неповрежденными в течение большего количества наносекунд, чем раньше, поэтому секвенирование будет более неповрежденным. Графеновая спираль позволяла XNA сохранять свою трехмерную структуру и позволяла водородным связям сохраняться дольше. В целом, тепловая и электропроводность этих углеродных структур имеет слишком много различных применений из-за их прочности и веса.
Электрокапиллярный
[ редактировать ]Спиральные графеновые трубки обладают электрическими и физическими свойствами и помимо эластичности могут вписываться в более мелкие капиллярные системы. Эти графеновые спирали потенциально могут быть использованы в системах наножидкостей с использованием как актуаторов, так и датчиков в форме волокон. [ 13 ]
Перспективы на будущее
[ редактировать ]Эти углеродные спирали обладают очень выгодными физическими свойствами, которые делают создание наноструктур более возможным. Благодаря возможностям 3D-печати и нанотехнологий они могут стать основой для будущих суперконденсаторов, имплантатов и накопителей энергии. [ 14 ] Поскольку мир все уменьшает в размерах, компьютеры быстрее всех используют преимущества новых материалов, миниатюризируя больше электроники, даже вплоть до основного провода, передающего электричество. Эти углеродные структуры уже создали логические элементы, показывающие будущий потенциал такого материала. [ 15 ]
Узловая морфология
[ редактировать ]Ли и др. предложил уникальную «узловую морфологию» в качестве доказательства спиральной модели ОСНТ, [ 16 ] высокого разрешения который преобладает в изображениях просвечивающей электронной микроскопии (HRTEM) и сканирующей туннельной микроскопии (STM), полученных с 1993 года. Модель спирали для SWNT подтверждается расчетом энергии деформации . Энергия деформации спирального роста зигзагообразной или «кресельной» графеновой ленты составляет примерно четверть энергии бесшовных цилиндрических ОСНТ. Этот расчет предполагает, что рост бесшовных ОСНТ может быть энергетически непомерно дорогим и неконкурентоспособным по сравнению с предложенной здесь структурой в условиях традиционных процессов химического осаждения из паровой фазы . Модель учитывает предыдущие экспериментальные данные в литературе, разнообразные картины дифракции электронов , морфологии HRTEM и STM, а также несоответствия в измеренных механических и электрических свойствах SWNT. Электрические свойства ОСНТ можно рассматривать как (зигзагообразную) графеновую наноленту, которая является проводником. В режиме хиральность не является необходимым условием роста ОСНТ и наблюдение киральности (или полупроводниковых свойств) в литературе может быть результатом ошибочной интерпретации искажения графеновой спирали.
На основе модели спирального роста были проведены дальнейшие работы по исследованию механических свойств (оценка процесса растяжения по распределению напряжений). [ 17 ]
Недавно Парк и др. заново интерпретировал ОСНТ как спираль графена с помощью рамановской спектроскопии, показав, что типичный рамановский спектр для ОСНТ является признаком их спиральной структуры с помощью моделирования теории функционала плотности и анализа структуры для гидрированных и дегидрированных образцов ОСНТ. Они продемонстрировали, что G-мода при ~1570 см-1 уникальна для открытых трубчатых графеновых структур (т.е. графеновой спирали) диаметром ~2 нм. Они также демонстрируют, что мода D ~ 1350 см-1 возникает из-за краевых дефектов открытых ОСНТ, обнаруживающих сильные собственные векторы, которые отсутствуют в концентрических трубках. Они также показали, что анализ спектров комбинационного рассеяния ОСНТ соответствует общему пониманию рамановского анализа углеродных материалов. [ 18 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ли, Дэн и Ричард Б. Канер. «Материалы на основе графена». Nat Nanotechnol 3 (2008): 101. APA.
- ^ «Свойства графена» . Графенея . Проверено 27 октября 2020 г.
- ^ Ли, Джин-Хо; Пак, Су Чжон; Чой, Чон У (20 февраля 2019 г.). «Электрические свойства графена и его применение для электрохимического биосенсорства» . Наноматериалы . 9 (2): 297. дои : 10.3390/nano9020297 . ISSN 2079-4991 . ПМК 6409852 . ПМИД 30791566 .
- ^ Чжоу, Цзянь; Ву, Мяо Мяо; Чжоу, Сяо; Сунь, Цян (07 сентября 2009 г.). «Настройка электронных и магнитных свойств графена путем модификации поверхности» . Письма по прикладной физике . 95 (10): 103108. Бибкод : 2009ApPhL..95j3108Z . дои : 10.1063/1.3225154 . ISSN 0003-6951 .
- ^ «Термодинамика наноструктур» , Arc.Ask3.Ru , 27 октября 2020 г. , получено 16 ноября 2020 г.
- ^ Поп, Эрик ; Манн, Дэвид; Ван, Цянь; Гудсон, Кеннет ; Дай, Хунцзе (январь 2006 г.). «Теплопроводность отдельной одностенной углеродной нанотрубки при температуре выше комнатной» . Нано-буквы . 6 (1): 96–100. arXiv : cond-mat/0512624 . Бибкод : 2006NanoL...6...96P . дои : 10.1021/nl052145f . ISSN 1530-6984 . ПМИД 16402794 . S2CID 14874373 .
- ^ «Свойства графена» . Графенея . Проверено 27 октября 2020 г.
- ^ «Свойства графена» . Графенея . Проверено 27 октября 2020 г.
- ^ «Как трюк с липкой лентой привел к Нобелевской премии» . Новости Би-би-си . 05.10.2010 . Проверено 3 ноября 2020 г.
- ^ «Массовое производство графена» . Американский учёный . 06.04.2018 . Проверено 3 ноября 2020 г.
- ^ «Углеродные нанотрубки – что это такое, как их делают, для чего используют» . Нановерк . Проверено 3 ноября 2020 г.
- ^ Гош, Сумадвип; Чакрабарти, Раджарши (25 августа 2016 г.). «Распаковка двухцепочечных рибонуклеиновых кислот графеном и одностенной углеродной нанотрубкой: геометрия спирали и кривизна поверхности» . Журнал физической химии C. 120 (39): 22681–22693. doi : 10.1021/acs.jpcc.6b06943 . ISSN 1932-7447 .
- ^ «Спиральные волокна оксида графена в качестве растягивающегося датчика и электрокапиллярной присоски | Запросить PDF-файл» . Исследовательские ворота . Проверено 3 ноября 2020 г.
- ^ Валенти, Джованни; Бони, Алессандро; Мельчионна, Мишель; Карньелло, Маттео; Наси, Люсия; Бертони, Джованни; Горте, Раймонд Дж.; Маркаччо, Массимо; Рапино, Стефания; Бончио, Марселла; Форнасьеро, Паоло (12 декабря 2016 г.). «Коаксиальные гетероструктуры, объединяющие диоксид палладия / титана с углеродными нанотрубками для эффективного электрокаталитического выделения водорода» . Природные коммуникации . 7 : 13549. Бибкод : 2016NatCo...713549V . дои : 10.1038/ncomms13549 . ISSN 2041-1723 . ПМК 5159813 . ПМИД 27941752 .
- ^ Мартель, Р.; Дерик, В.; Лавуа, К.; Аппенцеллер, Дж.; Чан, К.К.; Терсофф, Дж.; Авурис, доктор философии (03 декабря 2001 г.). «Амбиполярный электрический транспорт в полупроводниковых одностенных углеродных нанотрубках» . Письма о физических отзывах . 87 (25): 256805. Бибкод : 2001PhRvL..87y6805M . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.256805 . ПМИД 11736597 .
- ^ Ли, Дж.-К.; Ли, С.; Ким, Дж.Г.; Мин, БК; Ким, Ю.И.; Ли, К.И.; Ан, КХ; Джон, П. (2014). «Структура одностенных углеродных нанотрубок: графеновая спираль». Маленький . 10 (16): 3283–90. дои : 10.1002/smll.201400884 . ПМИД 24838196 .
- ^ Джон, Ю.И.; Ким, К.; Со, М.; Чо, WJ; Ли, С.; Джон, Ю.М. (2016). «Характеристика растяжения одностенных углеродных нанотрубок со спиральными структурными дефектами» . Научные отчеты . 6 : 20324. Бибкод : 2016NatSR...620324J . дои : 10.1038/srep20324 . ПМЦ 4740892 . ПМИД 26841708 .
- ^ Парк, Ю.; Хембрам, КПСС; Йоу, Р.; Джанг, Б.; Ли, В.; Ли, С.-Г.; Ким, Ж.-Г.; Ким, Ю.И.; Мун, диджей; Ли, Дж.-К.; Ли, Ж.-К. (2019). «Переосмысление одностенных углеродных нанотрубок с помощью рамановской спектроскопии». Журнал физической химии C. хх (22): 14003–14009. дои : 10.1021/acs.jpcc.9b02174 . S2CID 107307737 .