Углеродная нано-пена - это аллотроп углерода, открытый в 1997 году Андреем В. Роде и его сотрудниками из Австралийского национального университета в Канберре . [1] Он состоит из кластера, состоящего из атомов углерода, связанных в рыхлую трехмерную сеть. Фрактальной -как структура облигаций состоит из зр 2 графита -как кластеров , соединенных зр 3 связями. Связи sp 3 расположены в основном на поверхности структуры и составляют от 15% до 45% материала, что делает ее каркас похожим на алмазоподобные углеродные пленки. [2]Материал очень легкий, с плотностью 2-10 x 10 -3 г / см 3 (0,0012 фунт / фут 3 ) и сопоставим с аэрогелем. [1] [3] Другие замечательные физические свойства включают большую площадь поверхности (сравнимую с цеолитами ) 300–400 м 2 / г. [4] Галлон нано-пены весит около четверти унции. [5]
Каждый кластер имеет ширину около 6 нанометров и состоит из примерно 4000 атомов углерода, связанных в графитоподобные листы, которым придается отрицательная кривизна за счет включения семиугольников в правильный гексагональный узор. Это противоположно тому, что происходит в случае бакминстерфуллеренов, в которых углеродным листам придается положительная кривизна за счет включения пятиугольников .
Крупномасштабная структура углеродной нановопены похожа на структуру аэрогеля , но с плотностью 1% от ранее произведенных углеродных аэрогелей - или всего в несколько раз больше плотности воздуха на уровне моря . В отличие от углеродных аэрогелей углеродная нано-пена является плохим проводником электричества . Нано-пена содержит множество неспаренных электронов , что, по мнению Роде и его коллег, связано с атомами углерода с тремя связями, которые обнаруживаются в топологических дефектах и дефектах связи. Это приводит к тому, что, возможно, является самой необычной особенностью углеродной нановопены: она притягивается к магнитам, и при температуре ниже -183 ° C сама может быть сделана магнитной.
Углеродная нано-пена - единственная известная форма чистого углерода, которая является ферромагнитной, что необычно для углеродных аллотропов. [6] Ферромагнетизм является внутренним свойством углеродной нановопены и 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 обладают достаточным магнитным моментом, чтобы вызвать сильное намагничивание. [6] Кривизна листа локализует неспаренные электроны, разрушая π-электронные облака, и стерически защищает электроны, которые обычно были бы слишком реактивными, чтобы существовать. Ферромагнетизм углеродной нано-пены чувствителен к времени и температуре. Некоторая часть магнетизма теряется в течение первых нескольких часов синтеза, однако большая его часть сохраняется. [6] Углеродная нано-пена может найти применение в устройствах спинтроники, в которых спин электронов используется в качестве дополнительной степени 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 нановопены можно синтезировать с помощью лазерной абляции с высокой частотой повторения в инертном газе, таком как аргон . Короткие ( fs ) импульсы малой 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 поддерживает высокую температуру между циклами формирования. Последующие циклы в камере проводят при температурах выше пороговой температуры образования, инициирующей sp 2 связывание. 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
- ^ а б Роде, А.В. Гайд, ST; Гамалы, ЭГ; Эллиман, Р.Г.; McKenzie, DR; 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 : 1999ApPhA..69S.755R . DOI : 10.1007 / s003390051522 .
- ^ а б Роде, А.В.; Гамалы, ЭГ; Лютер-Дэвис, Б. (1 февраля 2000 г.). «Формирование кластерной углеродной нанопены с помощью лазерной абляции с высокой частотой повторения». Прикладная физика . 70 (2): 135–144. Bibcode : 2000ApPhA..70..135R . DOI : 10.1007 / s003390050025 . ЛВП : 1885/35128 . ISSN 1432-0630 .
- ^ Зани, А .; Dellasega, D .; Руссо, В .; Пассони, М. (2013). «Углеродные пены сверхнизкой плотности, полученные методом импульсного лазерного осаждения». Углерод . 56 : 358–365. DOI : 10.1016 / j.carbon.2013.01.029 .
- ^ а б Blinc, R .; Arčon, D .; Умек, П .; Apih, T .; Milia, F .; Роде, А.В. (2007). «Углеродная нано-пена как потенциальный материал для хранения водорода». Physica Status Solidi B . 244 (11): 4308–4310. Bibcode : 2007PSSBR.244.4308B . DOI : 10.1002 / pssb.200776149 . ISSN 1521-3951 .
- ^ Кеннет Чанг (6 апреля 2004 г.). «Новый чешуйчатый углерод: он легкий и магнитный как перышко» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ а б в Роде, А.В.; Гамалы, ЭГ; Кристи, АГ; Фитц Джеральд, JG; Гайд, ST; Эллиман, Р.Г.; Luther-Davies, B .; Вейнгер, AI; Androulakis, J .; Джапинтзакис, Дж. (17 августа 2004 г.). «Нетрадиционный магнетизм в полностью углеродной нано-пене». Physical Review B . 70 (5): 054407. arXiv : cond-mat / 0310751 . Bibcode : 2004PhRvB..70e4407R . DOI : 10.1103 / PhysRevB.70.054407 .