탄소나노튜브

Carbon nanotube
단일벽 탄소나노튜브의 주사 터널링 현미경 이미지
회전 단일벽 지그재그 탄소나노튜브
에 관한 일련의 기사 중 일부
나노물질
탄소나노튜브
풀러렌
기타 나노입자
나노구조물질

탄소나노튜브(CNT)는 나노미터 범위의 직경을 가진 탄소로 만들어진 튜브입니다.그것들은 탄소의 동소체 중 하나입니다.

단일 벽 탄소 나노튜브(SWCNT)의 직경은 사람 머리카락의 너비보다 약 10만 배 작은 약 0.5-2.0 나노미터입니다.그것들은 중공 원기둥을 형성하기 위해 말려진 2차원 그래핀 시트의 잘라낸 부분으로 이상화될 수 있습니다.[1]

다중 벽 탄소 나노튜브(MWCNT)는 중첩된 튜브 내 구조의 중첩된 단일 벽 탄소 나노튜브로[1] 구성됩니다.[2]이중 및 삼중 벽 탄소 나노튜브는 MWCNT의 특별한 경우입니다.

탄소나노튜브는 나노구조와 탄소원자간 결합의 강도가 우수하여 인장강도와[3] 열전도율이[4][5][6] 우수한 등의 우수한 특성을 나타낼 수 있습니다.어떤 SWCNT 구조는 높은 전기 전도도를[7][8] 보이는 반면 다른 구조는 반도체입니다.[9][10]또한, 탄소 나노튜브는 화학적으로 변형될 수 있습니다.[11]이러한 특성은 전자, 광학, 복합 재료(탄소 섬유의 대체 또는 보완), 나노 기술 및 재료 과학의 다른 응용 분야와 같은 기술의 많은 분야에서 가치가 있을 것으로 예상됩니다.

SWCNT에 대한 예측 특성은 감칠맛이 났지만, 이를 합성하는 방법은 1993년 NEC의 이지마와 이치하시, IBM의 Bethune 등이 독립적으로 탄소와 철과 코발트 같은 전이 금속을 공증발하는 것이 SWCNT 형성을 구체적으로 촉매할 수 있다는 것을 발견할 때까지 부족했습니다.[12][13]이러한 발견은 촉매 생산 기술의 효율성을 크게 높이는 데 성공한 연구를 촉발시켰고,[14] SWCNT의 특성을 파악하고 응용 프로그램을 찾는 작업의 폭증으로 이어졌습니다.

SWNT 구조

지그재그 나노튜브, 구성 (8, 0)
암체어 나노튜브, 구성(4, 4)

기본내역

그래핀 분자의 띠(strip)로서 탄소 나노튜브의 "슬라이스 앤 언롤(sliced and undroll)" 표현, 전체 분자(full molecular)의 다이어그램 위에 겹쳐집니다.화살표는 스트립이 위로 말려 올라가면서 스트립의 한쪽 가장자리에 있는 원자 A1이 반대쪽 가장자리에 들어갈 틈 A2를 보여줍니다.
관련 하위 격자의 기저 벡터 u 및 v, 비동형 탄소나노튜브 구조를 정의하는 (n,m) 쌍(붉은 점) 및 카이랄성의 거울상이성질체를 정의하는 쌍(푸른 점)

이상적인(무한히 긴) 단일 벽 탄소 나노튜브의 구조는 무한한 원통형 표면에 그려진 규칙적인 육각형 격자의 구조이며, 그 꼭짓점은 탄소 원자의 위치입니다.탄소-탄소 결합의 길이는 상당히 고정되어 있기 때문에, 실린더의 직경 및 실린더 위의 원자 배열에 제약이 있습니다.[15]

나노튜브 연구에서는 그래핀과 같은 격자 위의 지그재그 경로를 각각의 결합을 거쳐 좌우로 번갈아 가며 60도를 도는 경로로 정의합니다.또한 안락의자 경로는 60도의 좌회전 두 번, 그리고 네 걸음마다 우회전 두 번을 하는 경로로 정의하는 것이 일반적입니다.일부 탄소 나노튜브에는 튜브 주위를 도는 폐쇄된 지그재그 경로가 있습니다.하나는 그 튜브가 지그재그 타입이나 구성이거나 단순히 지그재그 나노튜브라고 말합니다.튜브가 폐쇄된 안락의자 경로로 둘러싸인 경우, 그것은 안락의자 유형 또는 안락의자 나노튜브라고 합니다.지그재그(또는 안락의자) 타입의 무한 나노튜브는 서로 연결된 닫힌 지그재그(또는 안락의자) 경로로 모두 구성됩니다.

지그재그와 안락의자 구성은 단일 벽 나노튜브가 가질 수 있는 유일한 구조가 아닙니다.일반적으로 무한히 긴 튜브의 구조를 설명하기 위해서는 원자 A를 통과하는 축선과 평행한 절단으로 절단된 후 평면상에서 평평하게 말려서 원자와 결합이 가상의 그래핀 시트의 것과 일치한다고 상상해야 합니다. 더 정확하게는 무한히 긴 띠의 튜브가 있는 것입니다.원자 A의 두 반은 그래핀의 두 원자 A1과 A2에 걸쳐 띠의 반대편 가장자리에 있게 됩니다.A1에서 A2까지의 선은 원자 A를 통과한 실린더의 원주에 대응하며 스트립의 가장자리에 수직입니다.그래핀 격자에서, 원자들은 그들의 세 결합의 방향에 따라 두 개의 등급으로 나눠질 수 있습니다.원자의 절반은 3개의 결합이 같은 방향으로 향하고, 절반은 3개의 결합이 전반부에 비해 180도 회전합니다.실린더에서 같은 원자 A에 해당하는 원자 A1과 A2는 같은 등급이어야 합니다.관의 둘레와 띠의 각도는 같은 종류의 그래핀 원자의 쌍을 연결하는 선의 길이와 방향으로 제한되기 때문에 임의적이지 않다는 것을 알 수 있습니다.

u와 v를 그래핀 원자 A1과 가장 가까운 두 원자를 같은 결합 방향으로 연결하는 두 개의 선형 독립 벡터라고 하자.즉, 하나가 C1에서 C6까지의 그래핀 셀 주위에 연속적인 탄소를 숫자화한다면, u는 C1에서 C3까지의 벡터이고, v는 C1에서 C5까지의 벡터가 될 수 있습니다.그런 다음, A1과 같은 클래스를 가진 다른 원자 A2에 대해, A1에서 A2까지의 벡터는 nu + mv로 선형 조합으로 작성될 수 있으며, 여기서 n과 m은 정수입니다.그리고 반대로, 각 정수 쌍(n,m)은 A2의 가능한 위치를 정의합니다.[15]n과 m이 주어지면, 벡터 w를 그래핀 격자 위에 그리고, 그 끝점 A1과 A2를 통해 w에 수직인 선을 따라 절단하고, 두 점을 함께 모으기 위해 스트립을 원기둥으로 굴림으로써 이 이론적 연산을 뒤집을 수 있습니다.이 구성을 한 쌍(k,0)에 적용하면 결과는 2k 원자의 닫힌 지그재그 경로를 가진 지그재그 나노튜브입니다.한 쌍(k,k)에 적용하면 4k 원자의 폐쇄된 안락의자 경로를 갖는 안락의자 튜브를 얻습니다.

종류들

위의 가정적 재구성을 적용하기 전에 스트립을 A1을 중심으로 시계방향으로 60도 회전시키면 나노튜브의 구조가 변경되지 않습니다.이러한 회전은 해당 쌍(n,m)을 쌍(-2m,n+m)으로 바꿉니다.A1과 관련된 A2의 많은 가능한 위치, 즉 많은 쌍(n,m)이 나노튜브의 동일한 원자 배열에 해당한다는 것을 따릅니다.예를 들어, 6쌍의 (1,2), (-2,3), (-3,1), (-1,-2), (2,-3) 및 (3,-1) 중에서 그러합니다.특히, (k,0)과 (0,k) 쌍은 동일한 나노튜브 기하학을 설명합니다.이러한 중복은 n > 0이고 m ≥ 0인 쌍 (n,m)만을 고려함으로써 방지될 수 있습니다. 즉, 벡터의 방향이 u (포함)와 v (배타)의 방향 사이에 있습니다.모든 나노튜브가 그러한 조건을 만족시키는 한 쌍(n,m)을 정확히 가지고 있다는 것을 확인할 수 있는데, 이것을 튜브의 종류라고 합니다.반대로, 모든 종류에는 가상의 나노튜브가 있습니다.사실, 두 나노튜브는 한 나노튜브가 다른 나노튜브와 정확히 일치하도록 개념적으로 회전되고 번역될 수 있는 경우에만 같은 종류를 가지고 있습니다.종류(n,m) 대신, 벡터 w의 길이(즉, 나노튜브의 둘레)를 주어 탄소나노튜브의 구조를 특정할 수 있고, u와 w의 방향 사이의 각도 α는 시계 방향으로 0도(포함) 내지 60도(전용)일 수 있음.그림을 u 수평으로 그린 경우, 후자는 스트립이 수직에서 멀어지는 기울기입니다.

(3,1)형 카이랄 나노튜브
(1,3) 타입의 카이랄 나노튜브, (3,1) 타입의 미러 이미지
(2,2) 타입의 나노튜브, 가장 좁은 "암체어" 타입의 나노튜브
(3,0) 타입의 나노튜브, 가장 좁은 "지그재그" 타입

키랄리티와 거울대칭

나노튜브가 m > 0이고 m ≠ n인 유형(n,m)을 가지면 카이랄성을 띠며, 거울상은 (n,m)과 다른 유형(m,n)을 갖습니다.이 동작은 u 벡터의 방향(즉, 벡터 u+v의 방향)으로부터 시계 방향으로 30도의 각도를 만드는 라인 L에서 A1까지의 언롤 스트립을 미러링하는 것에 해당합니다.카이랄 나노튜브의 유일한 유형은 (k,0) "지그재그" 튜브와 (k,k) "암체어" 튜브입니다.두 개의 거울상이성질체가 동일한 구조로 간주되는 경우, 하나는 0 ≤ m ≤ n이고 n > 0인 유형 (n,m)만을 고려할 수 있습니다.그러면 u와 w 사이의 각도 α는 0도에서 30도(둘 다 포함) 범위에 있을 수 있으며, 이를 나노튜브의 "키랄 각도"라고 합니다.

둘레 및 지름

n과 mone으로부터 벡터 w의 길이인 원둘레 c를 계산할 수도 있으며, 이 값은 다음과 같습니다.

피코미터 단위의튜브의 직경 는 /π c즉

또한 피코미터 단위로.(이러한 공식은 결합이 변형된 작은 n과 m의 경우에만 근사하며, 벽의 두께는 고려하지 않습니다.)

u와 w 사이의 경사각 α와 둘레 c는 다음과 같이 유형 지수 n과 m과 관련이 있습니다.

여기서 arg(x,y)는 X축과 벡터(x,y) 사이의 시계방향 각도입니다; 다음과 같이 많은 프로그래밍 언어에서 사용 가능한 함수입니다.atan2(y,x). 반대로, c와 α가 주어지면, (n,m) 타입을 다음 공식으로 얻을 수 있습니다.

정수로 평가해야 합니다.

물리적 한계

가장 좁은 예

너무 좁기 때문에 "퇴화"된 튜브
축퇴 "지그재그" 튜브 유형(1,0)
축퇴 "지그재그" 튜브 유형(2,0)
축퇴 "암체어" 튜브 유형(1,1)
축퇴 가능성이 있는 카이랄 튜브 유형(2,1)

만약 n과 m이 너무 작다면, 쌍(n,m)에 의해 기술된 구조는 "튜브"라고 합리적으로 불릴 수 없고, 심지어 안정적이지 않을 수도 있는 분자를 묘사할 것입니다.예를 들어, 한 쌍(1,0)(제한 "지그재그" 유형)에 의해 이론적으로 설명된 구조는 탄소의 사슬일 것입니다.그것은 실제 분자인 카빈입니다. 그것은 나노튜브의 일부 특성(궤도 혼성화, 높은 인장 강도 등)을 가지고 있지만 중공 공간이 없고 응축된 상으로서 얻을 수 없을 수 있습니다.(2,0) 쌍은 이론적으로 융합된 4-사이클의 사슬을 산출하고 (1,1), 한계 "암체어" 구조는 2-연결된 4-링의 사슬을 산출합니다.이러한 구조는 실현 가능하지 않을 수 있습니다.

가장 얇은 탄소나노튜브는 직경 0.3nm인 타입(2,2)의 안락의자 구조입니다.이 나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브 안에서 자랐습니다.탄소나노튜브 유형의 할당은 고해상도 투과전자현미경(HRTEM), 라만 분광법 및 밀도함수이론(DFT) 계산을 조합하여 수행되었습니다.[16]

가장 얇은 자립형 단일 벽 탄소 나노튜브는 직경이 약 0.43 nm입니다.[17]연구자들은 그것이 (5,1) 또는 (4,2) SWCNT가 될 수 있다고 제안했지만, 탄소 나노튜브의 정확한 유형은 여전히 의문입니다.[18] (3,3), (4,3), (5,1) 탄소 나노튜브 (모두 직경 약 0.4 nm)는 이중 벽 CNT 내부에서 수차 보정된 고해상도 투과 전자 현미경을 사용하여 명확하게 확인되었습니다.[19]

길이

사이클로파라페닐렌

지금까지 성장한 가장 긴 탄소 나노튜브의 길이는 약 0.5 미터(550 mm)로 2013년에 보고되었습니다.[20]이러한 나노튜브는 개선된 화학기상증착법(CVD)을 사용하여 실리콘 기판 위에서 성장되었으며 단일벽 탄소나노튜브의 전기적으로 균일한 배열을 나타냅니다.[21]

가장 짧은 탄소나노튜브는 2008년 라메시 자스티가 합성한 유기화합물 사이클로파라페닐렌이라고 할 수 있습니다.[22]그 이후로 다른 작은 분자 탄소 나노튜브들이 합성되었습니다.[23]

밀도

CNT의 최고 밀도는 2013년에 달성되었으며, 450°C보다 낮은 온도에서 공촉매 코발트와 몰리브덴으로 코팅된 전도성 티타늄 코팅 구리 표면에서 성장했습니다.그 튜브들은 평균 380 nm의 높이와 1.6 g cm의−3 질량 밀도였습니다.소재는 오믹 전도도(가장 낮은 저항 ~22K ω)를 나타냈습니다.

변형

과학 문헌에서 탄소 나노튜브를 설명하는 일부 용어에 대해서는 일치된 의견이 없습니다. "-wall"과 "-wall"은 모두 "single", "double", "triple" 또는 "multi"와 함께 사용되고 있으며, 문자 C는 종종 생략됩니다. 예를 들어 다중 벽 탄소 나노튜브(MWNT).국제 표준 기구는 문서에 단일 벽 또는 다중 벽을 사용합니다.

다중벽

삼중벽 안락의자 탄소나노튜브

다중벽 나노튜브(MWNT)는 그래핀의 여러 압연된 층(콘센트릭 튜브)으로 구성됩니다.다중벽 나노튜브의 구조를 설명하는 데 사용할 수 있는 두 가지 모델이 있습니다.러시아 인형 모델에서, 흑연 시트는 동심원형 실린더에 배열됩니다. 예를 들어, 더 큰 (0,17) 단일 벽 나노튜브 내에 (0,8) 단일 벽 나노튜브 (SWNT)가 배치됩니다.양피지 모델에서는 한 장의 흑연이 양피지의 두루마리나 말린 신문지와 유사하게 그 주변에 말려들어갑니다.다중벽 나노튜브에서 층간 거리는 흑연에서 그래핀 층 사이의 거리에 근접하며, 약 3.4 Å입니다.러시아 인형 구조는 더 흔하게 관찰됩니다.그것의 개별 껍질은 금속성 또는 반도체성일 수 있는 SWNT로 설명될 수 있습니다.개별 튜브의 상대적인 직경에 대한 통계적 확률과 제한 때문에 쉘 중 하나, 즉 전체 MWNT는 보통 제로 갭 금속입니다.[26]

이중벽 탄소 나노튜브(DWNT)는 형태와 성질이 SWNT와 비슷하지만 화학물질의 공격에 더 저항력이 있기 때문에 특별한 종류의 나노튜브를 형성합니다.[27]이것은 CNT에 특성을 추가하기 위해 화학적 기능을 나노튜브의 표면에 접목(기능화)할 필요가 있을 때 특히 중요합니다. SWNT의 공유 기능화는 일부 C=C 이중 결합을 깨서 나노튜브의 구조에 "구멍"을 남기며 기계적 및 전기적 특성을 모두 수정합니다.DWNT의 경우 외벽만 수정됩니다.CCVD 기법에 의한 그램 스케일에 대한 DWNT 합성은 메탄 및 수소에서 산화물 용액의 선택적 환원으로부터 2003년에[28] 최초로 제안되었습니다.

내부 쉘의[29] 망원경 운동 능력과 그것들의 독특한 기계적 특성은[30] 다가오는 나노기계 장치에서 다중벽 나노튜브를 주요 이동 가능한 팔로 사용할 수 있게 할 것입니다.[speculation?]망원 운동에 발생하는 후퇴력은 껍질 사이의 레너드-존스 상호작용에 의해 발생하며, 그 값은 약 1.5 nN입니다.[31]

접합부 및 가교

탄소나노튜브 접합부 투과전자현미경 이미지

두 개 이상의 나노튜브 간의 접합은 이론적으로 널리 논의되어 왔습니다.[32][33]그러한 접합은 화학기상증착뿐만 아니라 아크 방전에 의해 제조된 샘플에서 꽤 자주 관찰됩니다.이러한 접합부의 전자적 특성은 Lambin et al.[34]에 의해 처음 이론적으로 고려되었으며, Lambin et al.은 금속관과 반도체관 사이의 연결이 나노 스케일의 이종 접합을 나타낼 것이라고 지적했습니다.따라서 그러한 접합부는 나노튜브 기반 전자 회로의 구성 요소를 형성할 수 있습니다.인접한 이미지는 두 개의 다중벽 나노튜브 사이의 접합을 보여줍니다.

나노튜브와 그래핀 사이의 접합은 이론적으로[35] 고려되고 실험적으로 연구되어 왔습니다.[36]나노튜브-그래핀 접합은 평행한 그래핀 시트가 짧은 나노튜브에 의해 분리되는 기둥 모양의 그래핀의 기초를 형성합니다.[37]필라레드 그래핀은 3차원 탄소나노튜브 구조의 한 종류를 나타냅니다.

3차원 탄소 비계

최근, 여러 연구에서 탄소 나노튜브를 빌딩 블록으로 사용하여 3차원 매크로(모든 3차원에서 100 nm 이상) 전체 탄소 소자를 제작할 가능성이 부각되고 있습니다.랄와니 외.단일 및 다중 벽 탄소 나노튜브를 빌딩 블록으로 사용하여 거시적이고 자유로운 다공성의 모든 탄소 스캐폴드를 제작하는 새로운 라디칼-개시 열가교 방법을 보고했습니다.[38]이러한 스캐폴드에는 매크로, 마이크로, 나노 구조의 기공이 있으며 기공률은 특정 용도에 맞게 조정될 수 있습니다.이러한 3D 올 카본 스캐폴드/아키텍처는 차세대 에너지 스토리지, 슈퍼커패시터, 전계 방출 트랜지스터, 고성능 촉매, 광전지 및 바이오 의료 장치, 임플란트 및 센서 제작에 사용될 수 있습니다.[39][40]

기타 형태학

안정적인 나노버드 구조

탄소 나노버드는 이전에 발견된 두 개의 탄소 동소체, 즉 탄소 나노튜브와 플러렌을 결합하여 새롭게 만들어진 물질입니다.이 새로운 물질에서 플러렌과 같은 "버드"는 밑에 있는 탄소 나노튜브의 바깥쪽 측벽에 공유 결합되어 있습니다.이 하이브리드 소재는 풀러렌과 탄소나노튜브의 유용한 특성을 가지고 있습니다.특히, 그들은 유달리 좋은 전계 방출체인 것으로 밝혀졌습니다.[41]복합재료에서 부착된 플러렌 분자는 나노튜브의 미끄러짐을 방지하는 분자 앵커 역할을 할 수 있어 복합재료의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.

탄소 완두콩은[42][43] 탄소 나노튜브 안에 플러렌을 가두는 새로운 혼합 탄소 물질입니다.가열과 조사로 흥미로운 자기적 특성을 가질 수 있습니다.이론적 조사 및 예측 중에 오실레이터로 적용할 수도 있습니다.[44][45]

이론적으로, 나노토러스는 토러스(도넛 모양)로 구부러진 탄소 나노튜브입니다.나노토리는 특정한 반지름에 대해 이전에 예상했던 것보다 1000배 큰 자기 모멘트와 같은 많은 독특한 특성을 가지고 있을 것으로 예측됩니다.[46]자기모멘트, 열안정성 등의 성질은 토러스의 반지름과 튜브의 반지름에 따라 매우 다양합니다.[46][47]

그래핀화된 탄소 나노튜브는 다중벽 또는 대나무 스타일 CNT의 측벽을 따라 성장된 흑연 엽산을 결합하는 비교적 새로운 하이브리드입니다.엽산 밀도는 증착 조건(예: 온도 및 시간)의 함수로서 변화할 수 있으며, 그 구조는 그래핀의 몇 층(< 10)에서 더 두껍고 더 흑연 같은 구조에 이르기까지 다양합니다.[48]통합 그래핀-CNT 구조의 근본적인 장점은 그래핀의 높은 에지 밀도와 결합된 CNT의 높은 표면적 3차원 프레임워크입니다.정렬된 CNT의 길이를 따라 높은 밀도의 그래핀 엽산을 증착하면 다른 탄소 나노 구조에 비해 공칭 면적 단위당 총 전하 용량을 크게 증가시킬 수 있습니다.[49]

컵 적층 탄소 나노튜브(CSCNT)는 일반적으로 전자의 준금속 도체로 작용하는 다른 준1D 탄소 구조와 다릅니다.CSCNT는 그래핀 층의 적층 미세구조로 인해 반도체 거동을 보입니다.[50]

특성.

단일 벽 탄소 나노튜브의 많은 특성은 (n,m) 유형에 크게 의존하며, 이러한 의존성은 비단조적입니다(카타우라 그림 참조).특히 밴드 갭은 0에서 약 2 eV까지 다양할 수 있으며 전기 전도도는 금속 또는 반도체 동작을 나타낼 수 있습니다.

메카니컬

주요 기사:탄소나노튜브의 기계적 특성
탄소나노튜브 다발의 주사전자현미경 이미지

탄소나노튜브는 인장강도와 탄성계수 면에서 지금까지 발견된 물질 중 가장 강하고 단단한 물질입니다.이 강도는 개별 탄소 원자들 사이에 형성된 공유결합에2 기인합니다.2000년에 다중벽 탄소나노튜브는 63기가파스칼(9,100,000 psi)의 인장강도를 갖는 것으로 실험되었습니다.[3](예를 들어 단면이 1평방 밀리미터(0.0016 sqin)인 케이블에서 6,422kg 힘(62,980N; 14,160lbf)에 해당하는 무게의 장력을 견딜 수 있는 능력을 의미합니다.)2008년에 수행된 것과 같은 추가 연구에 따르면 개별 CNT 쉘은 최대 ≈100기가파스칼(15,000,000psi)의 강도를 가지고 있으며, 이는 양자/원자론적 모델과 일치합니다.탄소나노튜브는 고체에 대한 밀도가 1.3~1.4g/cm로3 낮기 때문에 고탄소강의 154kN·m·kg에−1 비해 최대 48,000kN·m·kg의−1 비강도가 현존하는 물질 중 최고 수준입니다.[52]

개별 CNT 쉘의 강도는 극도로 높지만, 인접한 쉘과 튜브 사이의 약한 전단 상호작용은 다중벽 탄소 나노튜브 및 탄소 나노튜브 번들의 유효 강도를 단지 몇 GPa로 감소시키는 상당한 감소를 초래합니다.[53]이러한 한계는 최근 내부 쉘과 튜브를 가교시키는 고에너지 전자조사를 적용하여 해결되고 있으며, 다중벽 탄소나노튜브의 경우 ≈60 GPa, 이중벽 탄소나노튜브 묶음의 경우 ≈17 GPa에 효과적으로 이러한 물질의 강도를 증가시키고 있습니다.CNT는 압축 상태에서 거의 강하지 않습니다.이들은 중공구조와 높은 종횡비로 인해 압축, 비틀림 또는 굽힘 응력을 받는 경우 좌굴되는 경향이 있습니다.[54]

반면에 반경 방향으로는 다소 부드럽다는 증거가 있었습니다.방사 탄성에 대한 첫 번째 투과 전자 현미경 관찰은 반데르발스 힘조차도 두 개의 인접한 나노튜브를 변형시킬 수 있음을 시사했습니다.이후 다중벽 탄소나노튜브의 방사탄성을 정량적으로 측정하기 위해 원자력현미경으로 나노입도를 여러 그룹별로 수행하였으며, 단일벽 탄소나노튜브에 대해서도 tapping/contact mode 원자력현미경을 수행하였습니다.여러 GPa 단위의 영률은 CNT가 실제로 반경 방향으로 매우 부드럽다는 것을 보여주었습니다.[citation needed]

2020년에 보고된 바에 따르면, 4 wt% 및 6 wt% 하중의 CNT가 채워진 고분자 나노복합재는 기계적 특성과 해상 탯줄 피복층에 대한 UV 노출에 대한 기계적 특성의 복원력 사이에 좋은 균형을 제공하기 때문에 가장 최적의 농도입니다.[55]

전기

(6,0) CNT(지그재그, 메탈릭), (10,2) CNT(반도체) 및 (10,10) CNT(암체어, 메탈릭)에 대해 견고한 결합 근사를 사용하여 계산된 밴드 구조물

2차원 반금속인 그래핀과 달리 탄소나노튜브는 금속성이거나 관축을 따라 반도체성을 띠고 있습니다.주어진 (n,m) 나노튜브의 경우, n = m이면 나노튜브는 금속성입니다. n - m이 3의 배수이고 n ≠ m이면 나노튜브는 밴드갭이 매우 작은 준금속성이고, 그렇지 않으면 나노튜브는 중간 정도의 반도체입니다.따라서, 모든 안락의자(n = m) 나노튜브는 금속성이고, 나노튜브(6,4), (9,1) 등은 반도체성입니다.탄소나노튜브는 축퇴점(에너지가 0이 되는 π [결합] 밴드와 π* [결합] 밴드가 만나는 지점)이 튜브 표면의 곡률로 인해 Brillouin 존의 K 포인트에서 약간 벗어나서 σ*와 π* 반결합 밴드의 혼성화를 야기하기 때문에 반금속 상태가 아닙니다.밴드 분산을 수정하는 것입니다.

금속 대 반도체의 거동에 관한 규칙은 직경이 작은 튜브의 곡률 효과가 전기적 특성에 강하게 영향을 미칠 수 있기 때문에 예외가 있습니다.따라서 실제로 반도체를 해야 하는 (5,0) SWCNT는 계산에 따라 금속성입니다.마찬가지로 금속성이어야 하는 작은 직경의 지그재그 및 카이랄 SWCNT는 유한한 갭을 갖습니다(암체어 나노튜브는 금속성을 유지함).[57]이론적으로 금속 나노튜브는 4×109 A/cm의2 전류 밀도를 전달할 수 있는데, 이는 구리와 같은 금속의 전류 밀도보다 1,000배 이상 큰 것이며,[58] 구리 상호 연결의 경우 전류 밀도는 전기 이동에 의해 제한됩니다.따라서 탄소나노튜브는 복합재료에서 인터커넥트(interconnect) 및 전도성 향상(conductivity-enhanced) 성분으로 연구되고 있으며, 많은 그룹에서 개별 탄소나노튜브로부터 조립된 고전도성 전선의 상용화를 시도하고 있습니다.그러나 전압 하에서 원하지 않는 전류 포화,[59] 저항성이 훨씬 높은 나노튜브 대 나노튜브 접합 및 불순물과 같은 중요한 과제가 있으며, 이는 모두 개별 나노튜브의 전도도와 비교하여 거시적 나노튜브 와이어의 전기 전도도를 수십 배로 낮추는 것입니다.

나노 크기의 단면 때문에, 전자는 튜브의 축을 따라서만 전파됩니다.따라서, 탄소나노튜브는 일반적으로 1차원 도전체라고 불립니다.단일 벽 탄소 나노튜브의 최대 전기 전도도는 2G이며, 여기서 G = 2e/h는 단일 탄도 양자 채널의 전도도입니다.

탄소 나노튜브에서의 도핑은 그래핀의 전자적 특성을 결정하는 π-전자 시스템의 역할 때문에, 주기율표의 동일한 그룹(예를 들어, 실리콘)으로부터 벌크 결정성 반도체의 도핑과 상이합니다.실리콘에서 예상되는 바와 같이, 붕소 또는 질소 도펀트에 의한 나노튜브 벽의 탄소 원자의 흑연적 치환은 각각 p-형 및 n-형 거동을 야기합니다.그러나, 알칼리 금속 및 전자가 풍부한 메탈로센과 같은 탄소 나노튜브에 도입된 일부 비대체(삽입 또는 흡착된) 도펀트는 나노튜브의 π-전자 시스템에 전자를 공여하기 때문에 n-형 전도를 초래합니다.대조적으로, FeCl 또는 전자 결핍 메탈로센과 같은 π-전자 수용체는 원자가 밴드의 상단으로부터 π-전자를 끌어내기 때문에 p-타입 도펀트로서 기능합니다.

비록 다른 실험들이 이것에 대한 증거를 발견하지 못했지만,[61][62][63] 본질적인 초전도 현상이 보고되어 왔고, 이 주장은 논쟁의 대상이 되었습니다.[64]

2021년 탄소 P인 마이클 스트라노.MIT의 화학공학 교수 더브스는 전류를 만들기 위한 탄소 나노튜브의 사용에 대한 학과 연구 결과를 발표했습니다.[65]그 액체는 유기 용매에 그 구조들을 담금으로써 탄소 입자들로부터 전자들을 끌어냈습니다.Strano는 "이것은 전기화학은 할 수 있지만, 전선은 할 수 없습니다"라고 말한 것으로 전해졌으며, 이 기술에 있어서 중요한 돌파구를 보여주고 있습니다.[66]미래의 적용은 화학 산업에서 중요한 알코올 산화 반응뿐만 아니라 마이크로 또는 나노 스케일의 로봇에 동력을 공급하는 것을 포함합니다.[66]

결정학적 결함은 튜브의 전기적 특성에도 영향을 미칩니다.일반적인 결과는 튜브의 결함 부위를 통해 전도도가 낮아집니다.금속성 안락의자형 튜브(전기를 전도할 수 있는)의 결함은 주변 영역을 반도체화시킬 수 있고, 단일 원자공극은 자기적 특성을 유도합니다.[67]

옵티컬

주요 기사:탄소나노튜브의 광학적 특성

탄소나노튜브는 유용한 흡수, 광발광(형광), 라만 분광 특성을 가지고 있습니다.분광법은 비교적 많은 양의 탄소 나노튜브의 신속하고 비파괴적인 특성화의 가능성을 제공합니다.나노튜브 합성의 다양한 파라미터들은 나노튜브의 비관형 탄소 함량, 제조된 나노튜브의 구조(원형성) 및 구조적 결함과 같은 나노튜브의 품질을 변화시키기 위해 의도적이든 의도적이든 의도적이든 의도적이든 아니든 이러한 특성화에 대한 요구가 산업적 관점에서 매우 높습니다.그런 다음 이러한 기능은 거의 모든 다른 중요한 광학적, 기계적 및 전기적 특성을 결정합니다.

탄소나노튜브 광학 특성은 연구실에서 단일 나노튜브를 기반으로 한 발광 다이오드(LED)[68][69] 및 광검출기와[70] 같은 응용 분야에서 사용하기 위해 탐구되었습니다.이들의 독특한 특징은 아직 상대적으로 낮은 효율이 아니라 빛의 방출과 감지 파장의 좁은 선택성과 나노튜브 구조를 통한 미세 조정 가능성입니다.또한 볼로미터[71] 및 광전자 메모리[72] 장치는 단일 벽 탄소 나노튜브의 앙상블에서 실현되었습니다.나노튜브 형광은 생물의학적 응용 분야에서 영상화 및 감지를 목적으로 조사되었습니다.[73][74][75]

보온성

주요 기사:나노구조물의 열역학적 특성 § 탄소나노튜브

모든 나노튜브는 튜브를 따라 매우 우수한 열전도체가 될 것으로 예상되며, "탄성 전도"로 알려진 특성을 나타내지만 튜브 축의 측면에서 우수한 절연체가 될 것입니다.측정 결과 개별 SWNT는 약 3500W·m−1·K의−1 축을 따라 상온 열전도율을 가지고 있으며, 이를 [76]385W·m−1·K를−1 전달하는 우수한 열전도율로 잘 알려진 금속인 구리와 비교합니다.개개의 SWNT는 약 1.52 W−1·m−1·K의 축(반지름 방향) 측면의 상온 열전도도를 가지고 있으며,[77] 이는 흙만큼 열전도도가 높습니다.필름이나 섬유와 같은 나노튜브의 거시적 조립은 지금까지 1500 W·m−1·K에−1 달했습니다.[78]나노튜브로 구성된 네트워크는 열전도도가 0.1W−1·m·K인−1 단열 수준부터 높은 값까지 다양한 열전도도 값을 보여줍니다.[79]이 값은 불순물, 오정렬 및 기타 요인의 존재로 인해 발생하는 시스템의 열 저항에 대한 기여도에 따라 달라집니다.탄소나노튜브의 온도 안정성은 진공에서 최대 2800°C, 공기에서 약 750°C로 추정됩니다.[80]

결정학적 결함은 튜브의 열 특성에 강한 영향을 미칩니다.이러한 결함은 포논 산란을 초래하고, 이는 다시 포논의 이완율을 증가시킵니다.이것은 평균 자유 경로를 감소시키고 나노튜브 구조체의 열전도율을 감소시킵니다.포논 수송 시뮬레이션은 질소나 붕소와 같은 대체 결함이 주로 고주파 광학 포논의 산란을 초래할 것임을 나타냅니다.그러나 Stone-Wales 결함과 같은 대규모 결함은 광범위한 주파수에 걸쳐 포논 산란을 유발하여 열전도율을 더 크게 감소시킵니다.[81]

합성

주요 기사:탄소나노튜브 합성법

아크 방전, 레이저 어블레이션(laser ablation), 화학기상증착(chemical vapor deposition)(CVD), 고압 일산화탄소 불균형(HiPCO) 등과 같이 나노튜브를 대량으로 제조하는 기술이 개발되었습니다.이러한 아크 방전 중 레이저 어블레이션(laser ablation)은 배치 공정(batch process)에 의한 배치(batch)이고, 화학기상 증착(Chemical Vapor Deposition)은 배치 공정(batch by batch) 또는 연속 공정([84]continuous process)에 [82][83]모두 사용될 수 있으며, HiPCO는 기상 연속 공정(gas phase이러한 공정의 대부분은 진공 상태에서 이루어지거나 공정 가스와 함께 진행됩니다.CVD 성장 방법은 많은 양을 산출하고 직경, 길이 및 형태에 대한 제어 정도를 갖기 때문에 인기가 있습니다.미립자 촉매를 사용하면 이러한 방법으로 대량의 나노튜브를 합성할 수 있으며, 세계의 여러 CNT 및 CNT 섬유 공장과 함께 산업화가 진행되고 있습니다.CVD 공정의 한 가지 문제는 나노튜브 특성의 높은 변동성입니다. 촉매의 HiPCO 공정 발전과 지속적인 성장은 CNT를 더 상업적으로 실행 가능하게 만들고 있습니다.[86]HiPCO 공정은 고순도 단일벽 탄소나노튜브를 보다 많은 양으로 생산하는 데 도움이 됩니다.HiPCO 원자로는 고온 900-1100 °C, 고압 ~30-50 bar에서 작동합니다.[87]일산화탄소를 탄소 공급원으로 사용하고 철 펜타카보닐 또는 니켈 테트라카보닐을 촉매로 사용합니다.이 촉매들은 나노튜브가 성장할 수 있는 핵생성 장소를 제공하는 [84]반면 페로센과 같은 저렴한 철 기반 촉매는 CVD 공정에 사용될 수 있습니다.

수직 정렬된 탄소 나노튜브 어레이는 또한 열 화학 기상 증착에 의해 성장됩니다.기판(쿼츠, 실리콘, 스테인리스 스틸, 탄소 섬유 등)은 촉매 금속(Fe, Co, Ni) 층으로 코팅됩니다.일반적으로 해당 층은 철이며 스퍼터링을 통해 1-5 nm 두께로 증착됩니다.또한, 알루미나의 10~50 nm 하층을 기판 위에 먼저 내려놓습니다.이는 조절 가능한 습윤과 양호한 계면 특성을 부여합니다.기판을 성장 온도(약 600 ~ 850 °C)로 가열하면, 연속 철막이 각각의 섬과 함께 작은 섬으로 분해되고 탄소 나노튜브를 생성합니다.스퍼터링된 두께는 섬의 크기를 조절하고 이것이 나노튜브 직경을 결정합니다.얇은 철 층들은 섬들의 직경을 낮추고 나노튜브들이 자라는 직경을 낮춥니다.금속 섬이 성장 온도에 놓일 수 있는 시간은 이동성이 있고 더 큰 섬으로 합쳐질 수 있기 때문에 제한됩니다.성장 온도에서 어닐링하면 촉매 직경이 증가하면서 사이트 밀도(CNT/mm2 수)가 감소합니다.

이렇게 제조된 탄소나노튜브는 항상 다른 형태의 탄소(무형성 탄소, 플러렌 등)와 비탄소성 불순물(촉매에 사용되는 금속) 등의 불순물을 가지고 있습니다.[88][89]이러한 불순물은 탄소 나노튜브를 응용에 사용하기 위해 제거되어야 합니다.[90]

기능화

CNT는 강한 분자간 p-p 상호작용의 결과로 물과 같은 많은 용매에서 약한 분산성을 갖는 것으로 알려져 있습니다.이는 산업 응용 분야에서 CNT의 가공성을 저해합니다.이러한 문제점을 해결하기 위하여 CNT의 물에 대한 안정성 및 용해도를 향상시키기 위하여 CNT의 표면을 개질시키는 다양한 방법들이 개발되고 있습니다.이를 통해 불용성 CNT의 처리 및 조작이 강화되어 다양한 용도로 조정 가능한 인상적인 특성을 가진 혁신적인 CNT 나노유체를 합성하는 데 유용합니다.공유 기능화와 같은 화학적 경로는 광범위하게 연구되어 왔으며, 이는 카르복실기를 최종 생성물로서 CNT의 표면에 설정하거나 에스테르화 또는 아미네이션에 의한 추가적인 변형을 위해 강산(예: 황산, 질산 또는 둘 모두의 혼합물)을 통한 CNT의 산화를 포함합니다.자유 라디칼 그래프팅(free radical grafting)은 공유 기능화 방법 중에서 유망한 방법으로, 출발제로서 알킬 또는 아릴 과산화물, 치환 아닐린 및 디아조늄 염을 사용합니다.

(작용기로서) 거대 분자의 자유 라디칼 그래프팅은 CNT의 표면에 하이드록실과 같은 작은 분자의 부착을 수반하는 일반적인 산 처리에 비해 CNT의 용해도를 향상시킬 수 있습니다.큰 기능성 분자는 낮은 기능화도에서도 다양한 용매에 CNT의 분산을 용이하게 하기 때문에 자유 라디칼 그래프팅을 통해 CNT의 용해도를 크게 향상시킬 수 있습니다.최근 정향 싹을 이용한 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)의 공유 기능화를 위한 혁신적인 환경 친화적 접근법이 개발되었습니다.이 방법은 일반적인 탄소 나노 소재 기능화 절차에서 일반적으로 사용되는 독성 및 유해 산을 사용하지 않기 때문에 혁신적이고 친환경적입니다.MWCNT는 자유 라디칼 그래프팅 반응을 이용하여 하나의 냄비에서 기능화됩니다.클로브 기능화된 MWCNT는 물에 분산되어 매우 안정적인 다중 벽 탄소나노튜브 수성 현탁액(나노유체)을 생성합니다.[91]

모델링.

집적 영역이 있는 컴퓨터 시뮬레이션 미세 구조물

탄소 나노튜브는 강화 단계가 매트릭스 단계로 둘러싸인 전통적인 복합재와 유사한 방식으로 모델링됩니다.원통형, 육각형 및 사각형 모델과 같은 이상적인 모델이 일반적입니다.미시역학 모델의 크기는 연구된 기계적 특성의 고기능입니다.CNT 강화 나노복합재의 실제 거동을 복제하기 위해 컴퓨터 모델의 적절한 크기와 구성을 결정하기 위해 대표 부피 요소(RVE)의 개념을 사용합니다.관심 있는 재료 특성(열, 전기, 모듈러스, 크리프)에 따라 하나의 RVE가 대안보다 특성을 더 잘 예측할 수 있습니다.이상적인 모델의 구현은 계산적으로 효율적이지만, 실제 나노 복합체의 주사 전자 현미경에서 관찰되는 미세 구조적 특징을 나타내지 않습니다.사실적인 모델링을 통합하기 위해 다중 벽 또는 단일 벽 탄소 나노튜브의 물결, 방향 및 집적과 같은 가변성을 통합하기 위해 컴퓨터 모델도 생성됩니다.[92]

도량형

탄소나노튜브에 사용할 수 있는 많은 계측 표준 및 참고 자료가 있습니다.[93]

단일벽 탄소나노튜브의 경우 ISO/TS 10868은 광흡수분광법을 통해 금속나노튜브의 직경, 순도 및 분율을 측정하는 방법을 기술하고 있으며, ISO/TS 10797 및 ISO/TS 10798은 투과전기를 이용하여 단일벽 탄소나노튜브의 형태 및 원소 조성을 특성화하는 방법을 기술하고 있습니다.[94]에너지 분산형 X-선 분광 분석과 결합된 n개의 현미경 및 주사 전자 현미경.[95][96]

NIST SRM 2483은 원소분석의 기준물질로 사용되는 단일벽 탄소나노튜브의 그을음으로서, 열중량 분석, 신속 감마 활성화 분석, 유도 중성자 활성화 분석, 유도 결합 플라즈마 질량분광법, 공진 라만 산란, UV-visible-근적외선 형광 스펙트럼을 이용하여 특징지어짐컴퓨터단층촬영 및 흡수분광, 주사전자현미경, 투과전자현미경.[97][98]캐나다 국립 연구 위원회는 또한 중성자 활성화 분석과 유도 결합 플라즈마 질량 분광법을 이용한 원소 분석을 위한 인증된 기준 물질 SWCNT-1을 제공합니다.[93][99]NIST RM 8281은 3개 길이의 단일 벽 탄소 나노튜브의 혼합물입니다.[97][100]

다중벽 탄소나노튜브의 경우 ISO/TR 10929는 불순물의 기본 특성 및 함량을 파악하고,[101] ISO/TS 11888은 주사전자현미경, 투과전자현미경, 점도측정 및 광산란 분석을 이용한 형태학을 설명하고 있습니다.[102]ISO/TS 10798은 다중벽 탄소 나노튜브에도 유효합니다.[96]

화학적 변형

주요 기사 : 탄소나노튜브 화학과 단일벽 나노튜브의 선택적 화학

탄소 나노튜브는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있는 원하는 특성을 얻기 위해 기능화될 수 있습니다.[103]탄소나노튜브 기능화의 두 가지 주요 방법은 공유 및 비공유 변형입니다.탄소 나노튜브는 겉보기에 소수성 특성 때문에 용매 또는 점성 고분자 용융물에서의 분산을 방해하는 응집 경향이 있습니다.[104]결과적인 나노튜브 번들 또는 응집체는 최종 복합체의 기계적 성능을 저하시킵니다.탄소나노튜브의 표면은 화학적 부착을 통해 소수성을 감소시키고 벌크 고분자와의 계면 접착력을 향상시키기 위해 변형될 수 있습니다.[11]

탄소나노튜브의 표면은 스피넬 나노입자를 수열합성법에[105] 의해 코팅함으로써 화학적으로 개질될 수 있으며, 물 산화 목적으로 사용될 수 있습니다.[106]

또한, 탄소 나노튜브의 표면은 플루오로 유기 물질과 접촉하면서 가열함으로써 플루오로화 또는 할로플루오로화될 수 있으며, 이에 따라 그래프팅된(할로) 플루오로알킬 기능을 갖는 부분 플루오로화 탄소(이른바 플루오로카 물질)를 형성할 수 있습니다.[107][108]

적용들

나노테이프

탄소 나노튜브는 현재 다양한 산업 및 소비자 응용 분야에서 사용되고 있습니다.여기에는 대용량 제품의 기계적, 열적, 전기적 특성을 개선하기 위한 배터리 구성 요소, 고분자 복합재, 고흡수성 흑색 도료 등이 포함됩니다.전자제품용 전계효과 트랜지스터, 고강도 직물, 바이오 의료 및 농업용 바이오 센서 등 많은 다른 응용 분야가 개발 중에 있습니다.

현재 산업용 응용프로그램

  • Easton-Bell Sports, Inc.는 Zyvex Performance Materials와 협력하여 플랫 및 라이저 핸들 바, 크랭크, 포크, 시트 포스트, 스템 및 에어로 바 등 다수의 자전거 부품에 CNT 기술을 사용해 왔습니다.
  • Amroy Europe Oy는 탄소나노튜브가 화학적으로 활성화되어 에폭시와 결합한 Hybtonite 탄소나노에폭시 수지를 제조하여 다른 복합재료보다 20~30% 강도가 높은 복합재료를 제조합니다.풍력 터빈, 해양 페인트와 스키, 아이스하키 스틱, 야구 배트, 사냥용 화살, 서핑보드와 같은 다양한 스포츠 장비에 사용되었습니다.[109]
  • Surrey Nano Systems는 탄소 나노튜브를 합성하여 검은색 초흡수성 흑색 페인트를 만듭니다.
  • "게코 테이프"("나노 테이프"라고도 함)는 종종 양면 접착 테이프로서 상업적으로 판매됩니다.벽에 구멍을 뚫지 않고 매끄러운 벽에 그림, 장식품 등 경량 아이템을 걸 수 있습니다.합성 세태를 구성하는 탄소나노튜브 어레이는 제거 후 잔류물이 남지 않고 극한 온도에서도 끈적임이 유지될 수 있습니다.[110]
  • 원자력 현미경 프로브에 대한 [111]팁

개발 중인 애플리케이션

학계 및 산업계에서 개발 중인 나노튜브의 응용 분야는 다음과 같습니다.

  • 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터의 채널 재료로 탄소나노튜브를 이용하는 [112]방법
  • 탄소나노튜브를 다양한 미세 가공 기술의 스캐폴드로 [113]활용
  • 전기장의 영향을 받는 자기조직화된 나노구조물에서의 에너지 소산.[114]
  • 탄소나노튜브는 표면적이 활발하고, 가스를 흡수할 수 있어 환경 모니터링에 사용됩니다.[115]
  • 잭 앤드라카는 췌장암 검사에서 탄소 나노튜브를 사용했습니다.그의 시험 방법은 인텔 국제 과학 공학 박람회 Gordon E를 수상했습니다.2012년 봄 무어 상.[116]
  • 보잉사는 항공기 구조물에 사용되는 복합재의 구조적 건강 모니터링을[117] 위한 탄소 나노튜브의 사용에 대한 특허를 받았습니다.이 기술은 항공기의 구조적 열화로 인한 기내 고장의 위험을 크게 줄일 것입니다.
  • Zyvex Technologies는 CNT 기술을 사용하여 가능한 기술 시연자로서 54' 해상 선박인 Piranha Unmanned Surface Vessel도 만들었습니다.CNT는 선박의 구조적 성능을 향상시키는 데 도움을 주므로 2,500 마일 범위에서 15,000 lb의 적재물을 운반할 수 있는 경량 8,000 lb 보트가 됩니다.[118]
  • IMEC는 반도체 리소그래피에서 펠리클에 탄소나노튜브를 사용하고 있습니다.[119]
  • 조직공학에서 탄소나노튜브는 뼈 성장을 위한 발판으로 사용되어 왔습니다.[120]

탄소 나노튜브는 다양한 구조 재료에 첨가제 역할을 할 수 있습니다.예를 들어, 나노튜브는 일부(주로 탄소 섬유) 야구 배트, 골프 클럽, 자동차 부품 또는 다마스커스 스틸에 있는 재료(들)의 작은 부분을 형성합니다.[121][122]

IBM은 2020년까지 집적 회로에 탄소 나노튜브 트랜지스터가 사용될 것으로 예상했습니다.[123]

잠재력/미래

주요 기사:탄소나노튜브의 잠재적 응용

탄소 나노튜브의 강도와 유연성은 나노기술 공학에서 중요한 역할을 할 것이라는 것을 암시하는 다른 나노 스케일 구조를 제어하는 데 잠재적인 사용을 가능하게 합니다.[124]다중벽 탄소 나노튜브의 최대 인장 강도는 63 GPa로 실험되었습니다.[3] 탄소 나노튜브는 17세기 다마스쿠스 강철에서 발견되었으며, 아마도 그것으로 만들어진 칼의 전설적인 강도를 설명하는 데 도움이 될 것입니다.[125][126]최근, 여러 연구에서 탄소 나노튜브를 빌딩 블록으로 사용하여 3차원 매크로(모든 3차원에서 1mm 이상) 전체 탄소 장치를 제작할 가능성이 부각되고 있습니다.랄와니 외.단일 및 다중 벽 탄소 나노튜브를 빌딩 블록으로 사용하여 제작된 거시적, 자유-스탠딩, 다공성, 전체 탄소 스캐폴드에 대한 새로운 라디칼 개시 열 가교 방법을 보고했습니다.[38]이 스캐폴드에는 매크로, 마이크로, 나노 구조의 기공이 있으며 기공률은 특정 용도에 맞게 조정할 수 있습니다.이러한 3D 올 카본 스캐폴드/아키텍처는 차세대 에너지 스토리지, 슈퍼커패시터, 전계 방출 트랜지스터, 고성능 촉매,[127] 광전지 및 바이오 의료 기기 및 임플란트의 제작에 사용될 수 있습니다.

CNT는 나노 스케일의 VLSI 회로에서 미래의 비아 및 와이어 재료의 잠재적인 후보입니다.오늘날의 Cu 인터커넥트를 괴롭히는 전자 이동 신뢰성 문제를 제거하기 위해 격리된(단일 및 다중 벽) CNT는 전자 이동 손상 없이 1000 MA/cm를2 초과하는 전류 밀도를 전달할 수 있습니다.[128]

단일벽 나노튜브는 전자제품의 소형화를 위한 후보가 될 가능성이 높습니다.이러한 시스템의 가장 기본적인 구성 요소는 전선이며, 나노미터 단위의 직경을 가진 SWNT는 우수한 도체가 될 수 있습니다.[7][129]SWNT의 유용한 응용 중 하나는 첫 번째 분자 간 전계 효과 트랜지스터(FET)의 개발입니다.SWCNT FET를 이용한 최초의 분자간 논리 게이트는 2001년에 만들어졌습니다.[130]논리 게이트에는 p-FET과 n-FET이 모두 필요합니다.SWNT는 산소와 n-FET에 노출되면 p-FET이기 때문에 SWNT의 절반은 산소에 노출시키고 나머지 절반은 산소로부터 보호할 수 있습니다.결과적인 SWNT는 동일한 분자 내에 p-형과 n형 FET 모두를 갖는 not 로직 게이트로 작용합니다.

SETC(Surface Engineered Tape-casting) 제작 기술은 우수한 특성을 가진 유연하고 접을 수 있는 시트를 제작하기 위한 확장 가능한 방법입니다.[131][132]보고된 또 다른 폼 팩터는 습식 방사에 의한 CNT 섬유(일명 필라멘트)입니다.[133]섬유는 합성 냄비로부터 직접 방사되거나 미리 만들어진 용해된 CNT로부터 방사됩니다.개별 섬유는 원사로 바꿀 수 있습니다.그것의 강도와 유연성 이외에도, 주요한 장점은 전기 전도성 실을 만드는 것입니다.개별 CNT 섬유의 전자적 특성(즉, 개별 CNT의 번들)은 CNT의 2차원 구조에 의해 제어됩니다.섬유는 300K에서 금속 도체보다 크기가 1배 높은 저항률을 갖는 것으로 측정되었습니다.CNT와 CNT 섬유를 더욱 최적화함으로써 전기적 특성이 향상된 CNT 섬유를 개발할 수 있었습니다.[128][134]

CNT 기반 원사는 이온 교환막으로 코팅될 때 에너지 및 전기화학 수처리 분야에 적용하기에 적합합니다.[135]또한 CNT를 사용하는 원사는 권선 재료로서 구리를 대체할 수 있습니다.Pyrhönen et al. (2015)은 CNT 권선을 이용한 모터를 개발한 바 있다.[136][137]

안전보건

주요 기사:나노소재의 건강 및 안전위해요소와 탄소나노소재의 독성학

NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)는 연구를 수행하고 나노 물질의 산업 안전 보건 영향 및 적용에 대한 지침을 제공하는 미국의 선도적인 연방 기관입니다.초기 과학 연구들은 단위 질량당 표면적이 상대적으로 증가하기 때문에 나노 스케일 입자가 벌크 물질보다 더 큰 건강상의 위험을 초래할 수 있음을 보여주었습니다.CNT의 길이와 직경의 증가는 폐의 독성[138] 증가 및 병리학적 변화와 관련이 있습니다.[139]나노튜브의 생물학적 상호작용은 잘 이해되어 있지 않으며, 이 분야는 지속적인 독성학적 연구에 열려 있습니다.교란 요인을 분리하는 것은 종종 어렵고, 탄소는 비교적 생물학적으로 불활성이기 때문에 탄소 나노튜브에 기인한 독성의 일부는 잔류 금속 촉매 오염 때문일 수 있습니다.이전 연구에서는 불분명/알 수 없는 이유로 인해 Mitsui-7만 발암성이 확실하게 입증되었습니다.[140]많은 일반적인 광물 섬유(석면과 같은)와 달리, 대부분의 SWCNT 및 MWCNT는 호흡성 섬유로 분류하기 위한 크기 및 종횡비 기준에 적합하지 않습니다.2013년 NIOSH는 장기적인 건강 영향이 아직 측정되지 않았다는 점을 감안하여 탄소나노튜브와 섬유의 잠재적인 위험과 권장 노출 한도를 자세히 설명하는 Current Intelligence Bulletin을[141] 발간했습니다.[142]미국 국립산업안전보건연구소는 탄소나노튜브와 탄소나노섬유에 대해 비규제 권장 노출 한도(REL)를 배경 보정 원소 탄소로3 8시간 시간 가중치 평균(TWA) 호흡 가능 질량 농도로 결정했습니다.[143]CNT가 마우스에서 폐 염증 및 독성을 유발했음에도 불구하고, 실제 최종 제품을 대표하는 고분자 코팅 MWCNT가 포함된 복합재의 샌딩(sanding)에서 생성된 에어로졸에 대한 노출은 그러한 독성을 나타내지 않았습니다.[144]

2016년 10월 현재 단일벽 탄소나노튜브는 SWCNT의 잠재적 유해성 평가에 기초하여 유럽연합의 REACH(Regration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals) 규정을 통해 등록되었으며, 이 등록에 기초하여,SWCNT 상용화는 EU에서 최대 10미터톤까지 가능합니다.현재 REACH를 통해 등록된 SWCNT의 종류는 신청서를 제출한 OCSiAl에서 제조한 특정 종류의 단일벽 탄소나노튜브에 한정되어 있습니다.[145]

역사

참고 항목:탄소나노튜브와 플러렌 § 역사 연표

탄소 나노튜브 발견자들의 진짜 정체는 논란의 대상입니다.[146]Marc Monthioux와 Vladimir Kuznetsov가 Carbon 저널에 쓴 2006년 사설은 탄소 나노튜브의 기원을 묘사했습니다.[147]학계 및 대중 문헌의 대부분은 흑연질 탄소로 구성된 중공 나노미터 크기의 튜브가 1991년 NEC의 이지마 스미오에게 발견된 것으로 보고 있습니다.그의 논문은 수많은 흥분을 불러일으켰고 현재 탄소 나노튜브의 응용을 연구하고 있는 많은 과학자들에게 영감을 주었다고 인정받을 수 있습니다.이지마는 탄소나노튜브를 발견한 공로를 많이 인정받았지만, 탄소나노튜브의 연대표는 1991년보다 훨씬 더 거슬러 올라간다는 것이 밝혀졌습니다.[146]

1952년, L. V. 라두쉬케비치와 V. M. 루키아노비치는 탄소로 만들어진 50 나노미터 지름의 관의 선명한 이미지를 러시아 물리 화학 저널에 발표했습니다.[148]이 기사는 러시아어로 출판되었고, 냉전 기간 동안 서방 과학자들의 소련 언론 접근은 제한적이었기 때문에 이러한 발견은 크게 주목받지 못했습니다.몬티우스와 쿠즈네초프는 카본 사설에서 다음과 같이 언급했습니다.[147]

사실, Radushkevich와 Lukyanovich[...]는 탄소 필라멘트가 속이 비어 있고 나노미터 크기의 직경을 가질 수 있다는 것, 즉 탄소 나노튜브의 발견에 대한 공로를 인정받아야 합니다.

1976년 CNRS의 모리노부 엔도는 화학적 증기 성장 기술에 의해 합성된 둥글게 말린 흑연 시트의 중공 관을 관찰했습니다.[2]처음으로 관찰된 표본은 나중에 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT)로 알려지게 됩니다.[149]Endo는 기상 성장 탄소 섬유(VPCF)에 대한 초기 검토에서 섬유 코어 근처에 평행한 탄소층 면이 선형으로 확장된 중공 튜브를 관찰했음을 상기시켜 주었습니다.[150]이는 섬유의 중심부에서 다중벽 탄소나노튜브가 관찰된 것으로 보입니다.[149]오늘날 양산되는 MWCNT는 Endo사에서 개발한 VPGCF와 밀접한 관련이 있습니다.[149]사실, 그들은 그의 초기 작업과 특허에 대한 존중 때문에 그것을 "엔도 프로세스"라고 부릅니다.[149][151]1979년, 존 에이브러햄슨은 펜실베니아 주립 대학에서 열린 제14회 2년마다 열리는 탄소 회의에서 탄소 나노튜브의 증거를 발표했습니다.컨퍼런스 논문은 탄소나노튜브를 아크 방전시 탄소음극에서 생성되는 탄소섬유로 설명하였습니다.이러한 섬유의 특성화 및 저압에서의 질소 분위기에서의 성장에 대한 가설이 제시되었습니다.[152]

1981년, 한 소련 과학자 그룹은 일산화탄소의 열촉매 불균형에 의해 생성된 탄소 나노입자의 화학적, 구조적 특성화의 결과를 발표했습니다.저자들은 TEM 이미지와 XRD 패턴을 이용하여 그래핀 층을 실린더로 말아서 그들의 "탄소 다층 튜브 결정"이 형성되었다고 제안했습니다.그들은 이 롤링을 통해 다양한 그래핀 육각형 그물 배열이 가능할 것이라고 추측했습니다.그들은 두 가지 가능한 배열을 제안했습니다: 원형 배열(암체어 나노튜브); 나선형 나선형 나선형 배열(카이럴 튜브).[153]

1987년 하워드 G.하이페리온 촉매학의 테넌트(Tennent)는 "원통 모양의 이산 탄소 섬유"를 생산하는 것에 대한 미국 특허를 받았습니다. "원통 모양의 이산 탄소 섬유"는 직경이 약 3.5 나노미터에서 약 70 나노미터 사이이고, 길이는 직경의2 10배이며, 주문된 탄소 원자의 여러 개의 기본적으로 연속적인 층으로 이루어진 외부 영역과 별개의 내부 코어로..."[154]

1991년 이지마가 아크 연소 흑연봉의 불용성 물질에서 다중벽 탄소나노튜브를 발견한 것과,[1] 단일벽 탄소나노튜브를 만들 수 있다면, 이는 민트마이어, 던랩, 화이트가 독자적으로 예측한 것이 탄소나노튜브와 관련된 초기 흥분을 일으키는 데 도움이 되었습니다.눈에 띄는 전도성을 보여줄 겁니다.[7]나노튜브 연구는 NEC의 이지마와 이치하시, IBM의 Bethune 등이 독자적으로 탄소에 전이금속 촉매를 아크 방전으로 첨가하여 단일벽 탄소나노튜브를 구체적으로 생산하는 방법을 발견한[12][13] 이후 크게 가속화되었습니다.Tes et al.[14] 은 고온로에서 탄소/전이-금속 조합을 기화시킴으로써 이 촉매법을 정제하였고, 이를 통해 SWNT의 수율과 순도를 크게 향상시키고 특성화 및 응용 실험에 널리 이용할 수 있게 되었습니다.따라서 예비 규모로[clarify] 유명한 벅민스터 플러렌을 생산하는 것으로 잘 알려진 아크 방전 기술은 플러렌과 관련된 우연한 발견의 실행을 확장하면서 다중 및 단일 벽 나노튜브의 발견에 역할을 했습니다.[155]나노튜브의 발견은 여전히 논란의 여지가 있는 문제입니다.많은 사람들은 1991년 이지마의 보고서가 탄소 나노튜브를 과학계 전체의 인식으로 끌어들였기 때문에 특히 중요하다고 믿고 있습니다.[146][149]

2020년 인도 타밀나두에서 키자디의 고고학적 발굴 과정에서 ~2600년 된 도자기가 발견되었는데, 이 도자기의 코팅은 탄소 나노튜브를 포함하는 것으로 보입니다.나노튜브의 강력한 기계적 특성 때문에 코팅이 몇 년 동안 지속되었다고 과학자들은 말합니다.[156]

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참고문헌

이 기사는 인용된 대로 National Institute of Environmental Health Sciences(NIEHS)의 퍼블릭 도메인 텍스트를 통합합니다.

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외부 링크

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