WikiDer > Углеродная нано-пена

Carbon nanofoam

Углеродная нано-пена является аллотроп углерода открыт в 1997 году Андрей В. Роде и коллеги по Австралийский национальный университет в Канберра.[1] Он состоит из кластера, состоящего из атомов углерода, связанных в рыхлую трехмерную сеть. В фрактал-подобная структура связи состоит из sp2 графит-подобные кластеры, связанные sp3 облигации. Зр3 Связки расположены в основном на поверхности конструкции и составляют от 15% до 45% материала, что делает ее каркас похожим на алмазоподобный углерод фильмы.[2] Материал очень легкий, с плотностью 2-10 х 10−3 г / см3 (0,0012 фунт / фут3) и сравним с аэрогелем.[1][3] Другие замечательные физические свойства включают большую площадь поверхности (сравнимую с цеолиты) 300–400 м2/грамм.[4] Галлон нано-пены весит около четверти унции.[5]

Каждый кластер имеет ширину около 6 нанометров и состоит примерно из 4000 атомов углерода. атомы связано в графит-подобные листы, которым придается отрицательная кривизна за счет включения семиугольники среди регулярных шестиугольник шаблон. Это противоположно тому, что происходит в случае бакминстерфуллерены в котором углеродным листам придается положительная кривизна за счет включения пятиугольники.

Крупномасштабная структура углеродной нановопены похожа на структуру аэрогель, но с плотностью 1% от ранее произведенной углеродные аэрогели—Или всего в несколько раз больше плотности воздуха в уровень моря. В отличие от углеродные аэрогели, углеродная нано-пена - плохая электрический проводник. Нановена содержит множество неспаренные электроны, который, как предполагают Роде и его коллеги, происходит из-за атомов углерода с тремя связями, которые обнаруживаются в топологических дефектах и ​​дефектах связи. Это порождает, пожалуй, самую необычную особенность углеродной нановопены: она притягивается к магнитам и ниже −183 ° C сам может быть сделан магнитным.

Углеродная нано-пена - единственная известная форма чистого углерода, которая может быть ферромагнитный что необычно для углеродного аллотропа.[6] Ферромагнетизм - это внутреннее свойство углеродной нано-пены, которое может быть объяснено ее сложной структурой. Примеси в материале исключаются как источник магнетизма, поскольку их недостаточно для наблюдаемой сильной намагниченности. Исследователи постулируют, что внедренные атомы углерода с неспаренными электронами несут достаточно магнитный момент привести к сильному намагничиванию.[6] Кривизна листа локализует неспаренные электроны, разрушая π-электрон облака и стерически защищает электроны, которые обычно были бы слишком реактивными, чтобы существовать. Ферромагнетизм углеродной нано-пены чувствителен к времени и температуре. Некоторый магнетизм теряется в течение первых нескольких часов синтеза, однако большая его часть остается стойкой.[6] Углеродная нано-пена может найти применение в спинтроник устройства, которые используют спин электрона в качестве дополнительного степень свободы.

Углеродная нано-пена может быть подходящей для хранения водорода из-за ее низкой плотности и большой площади поверхности. Предварительные эксперименты показали, что водород может храниться в нано-пене при комнатной температуре в обратимом процессе.[4]

Синтез

Кластеры углеродной нано-пены могут быть синтезированы за счет высокой частоты повторения лазерная абляция в инертном газе, таком как аргон. Короткий (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 с помощью распыленного углерода, что приводит к увеличению парциальной плотности углерода в камере. В оптимальных условиях инертный газ не остывает, а поддерживает высокую температуру между циклами формирования. Последующие циклы в камере проводятся при температурах выше пороговой температуры образования, инициирующей sp.2 склеивание. Повышение плотности и температуры способствует созданию благоприятных условий для образования углеродистых кластеров. Скорость расхода превышает скорость испарения при лазерной абляции, и, таким образом, формация находится в неравновесном состоянии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Роде, А.В .; Hyde, S.T .; Gamaly, E.G .; Elliman, R.G .; McKenzie, D.R .; Балкок, С. (1999). «Структурный анализ углеродной пены, образованной лазерной абляцией с высокой частотой импульсов». Прикладная физика A: Материаловедение и обработка материалов. 69 (7): S755 – S758. Bibcode:1999АпФА..69С.755Р. Дои:10.1007 / s003390051522.
  2. ^ а б Роде, А.В .; Gamaly, E.G .; Лютер-Дэвис, Б. (1 февраля 2000 г.). «Формирование кластерной углеродной нанопены с помощью лазерной абляции с высокой частотой повторения». Прикладная физика A. 70 (2): 135–144. Bibcode:2000АпФА..70..135Р. Дои:10.1007 / s003390050025. ISSN 1432-0630.
  3. ^ Зани, А .; Dellasega, D .; Руссо, В .; Пассони, М. (2013). «Углеродные пены сверхнизкой плотности, полученные с помощью импульсного лазерного осаждения». Углерод. 56: 358–365. Дои:10.1016 / j.carbon.2013.01.029.
  4. ^ а б Blinc, R .; Arčon, D .; Умек, П .; Апих, Т .; Milia, F .; Роде, А. В. (2007). «Углеродная нано-пена как потенциальный материал для хранения водорода». Физика Статус Solidi B. 244 (11): 4308–4310. Bibcode:2007ПССБР.244.4308Б. Дои:10.1002 / pssb.200776149. ISSN 1521-3951.
  5. ^ Кеннет Чанг (6 апреля 2004 г.). "Новый чешуйчатый углерод: он легкий и магнитный". Нью-Йорк Таймс.
  6. ^ а б c Роде, А. В .; Gamaly, E. G .; Кристи, А. Г .; Фитц Джеральд, Дж. Г .; Hyde, S.T .; Elliman, R.G .; Luther-Davies, B .; Veinger, A. I .; Androulakis, J .; Джапинтзакис, Дж. (17 августа 2004 г.). «Нетрадиционный магнетизм в полностью углеродной нано-пене». Физический обзор B. 70 (5): 054407. arXiv:cond-mat / 0310751. Bibcode:2004PhRvB..70e4407R. Дои:10.1103 / PhysRevB.70.054407.