Бумаги на основе углеродных нанотрубок: свойства и методы получения

Введение

Тонкий лист из агрегированных углеродных нанотрубок.

Buckypaper – это тонкий лист, созданный из совокупности углеродных нанотрубок или сетчатой бумаги на основе углеродных нанотрубок. Нанотрубки примерно в 50 000 раз тоньше человеческого волоса. Изначально Buckypaper был разработан как способ работы с углеродными нанотрубками, но сейчас он изучается и разрабатывается для различных применений несколькими исследовательскими группами, демонстрируя потенциал в качестве брони для транспортных средств, средств индивидуальной защиты, а также в электронике и дисплеях нового поколения.

Предыстория

Буккипапер – это макроскопический агрегат углеродных нанотрубок (CNT) или "буккитуб". Он получил свое название в честь букминстерфуллерена, 60-углеродного фуллерена (аллотропа углерода с аналогичной структурой связей, который иногда называют "бакиболом" в честь Р. Бакминстера Фуллера), и додецилсульфата натрия, который улучшает их диспергируемость в водном растворе. Эти суспензии затем можно фильтровать через мембрану под положительным или отрицательным давлением для получения однородных пленок. Взаимодействие сил Ван-дер-Ваальса между поверхностью нанотрубки и поверхностно-активным веществом часто бывает механически прочным и достаточно стабильным, поэтому нет гарантии полного удаления поверхностно-активного вещества из пленки CNT после ее формирования. Было установлено, что промывка метанолом, эффективным растворителем для удаления тритона X, вызывает растрескивание и деформацию пленки. Также обнаружено, что тритон X может приводить к лизису клеток и, как следствие, к воспалительным реакциям в тканях даже при низких концентрациях. Чтобы избежать нежелательных побочных эффектов, связанных с возможным присутствием поверхностно-активных веществ, можно использовать альтернативный метод литья, включающий сжатие через фритту, который не требует использования поверхностно-активных веществ или модификации поверхности. Размеры можно контролировать, регулируя размер корпуса шприца и массу добавленных углеродных нанотрубок. Их толщина обычно значительно больше, чем у пленок, полученных литьем с использованием поверхностно-активных веществ, и может варьироваться от 120 мкм до 650 мкм. Хотя не существует общепринятой системы номенклатуры для классификации образцов по толщине, образцы толщиной более 500 мкм называют букидисками. Метод сжатия через фритту позволяет быстро получать букипапер и букидиски с регенерацией литейного растворителя и контролем двух- и трехмерной геометрии. Для синтеза пленок CNT использовался выравнивающийся рост многостенных углеродных нанотрубок (MWNT) посредством эффекта домино. В этом процессе "леса" из MWNT уплотняются в одном направлении, сжимая их вертикальную ориентацию в горизонтальную плоскость, что приводит к образованию букипапера высокой чистоты без дополнительной очистки или обработки. Для сравнения, при формировании образца букипапера путем сжатия 1 тонны порошка MWNT, полученного методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), любое добавление растворителя приводило к немедленному набуханию пленки, пока она не превращалась в частицы. Очевидно, что для использованного порошка CNT одной лишь компрессии было недостаточно для получения прочного букипапера, что подчеркивает, что методология выравнивания генерирует взаимодействия между трубками in situ, которые отсутствуют в порошке CNT CVD и сохраняются в процессе формирования букипапера под давлением домино. Недавно был разработан новый масштабируемый метод изготовления пленок CNT: техника поверхностного литья ленты (SETC). Техника SETC решает основную проблему литья ленты, заключающуюся в отслаивании высушенной и обычно липкой пленки CNT от несущего субстрата. Для получения идеально отслоившейся пленки несущий субстрат должен иметь микропирамидальную пористую структуру. SETC позволяет производить пленки большой площади из любых коммерчески доступных углеродных нанотрубок с регулируемой длиной, толщиной, плотностью и составом.

Buckypaper is a macroscopic aggregate of carbon nanotubes (CNT), or "buckytubes". It owes its name to the buckminsterfullerene, the 60 carbon fullerene (an allotrope of carbon with similar bonding that is sometimes referred to as a "Buckyball" in honor of R. Buckminster Fuller). and sodium lauryl sulfate, which improves their dispersibility in aqueous solution. These suspensions can then be membrane filtered under positive or negative pressure to yield uniform films. The van der Waals force's interaction between the nanotube surface and the surfactant can often be mechanically strong and quite stable and therefore there are no assurances that all the surfactant is removed from the CNT film after formation. Washing with methanol, an effective solvent in the removal of Triton X, was found to cause cracking and deformation of the film. It has also been found that Triton X can lead to cell lysis and in turn tissue inflammatory responses even at low concentrations. In order to avoid adverse side effects from the possible presence of surfactants, an alternative casting process can be used involving a frit compression method that did not require the use of surfactants or surface modification. The dimensions can be controlled through the size of the syringe housing and through the mass of carbon nanotubes added. Their thicknesses are typically much larger than surfactant cast buckypaper and have been synthesized from 120 μm up to 650 μm; whilst no nomenclature system exists to govern thicknesses for samples to be classified as paper, samples with thicknesses greater than 500 μm are referred to as buckydiscs. The frit compression method allows rapid casting of buckypaper and buckydiscs with recovery of the casting solvent and control over the 2D and 3D geometry. Aligned multi walled carbon nanotube (MWNT) growth has been used in CNT film synthesis through the domino effect. In this process, "forests" of MWNTs are pushed flat in a single direction, compressing their vertical orientation into the horizontal plane, which results in the formation of high purity buckypaper with no further purification or treatment required. By comparison, when a buckypaper sample was formed from the 1 ton compression of chemical vapor deposition (CVD) generated MWNT powder, any application of a solvent led to the immediate swelling of the film till it reverted into particulate matter. It appears that for the CNT powder used, compression alone was insufficient to generate robust buckypaper and highlights that the aligned growth methodology generates in situ tube tube interactions not found in CVD CNT powder and are preserved through to the domino pushing formation of buckypaper. Recently, a new scalable CNT film fabrication method has been developed: Surface Engineered Tape Casting (SETC) technique. The SETC technique solves the main challenge of tape casting which is the detachment of the dried and the typically sticky CNT film from the supporting substrate. To achieve a perfect detached film, the supporting substrate has to be engineered with micro pyramid pore structure morphology. SETC produces large area films from any commercially available carbon nanotubes with tunable length, thickness, density and composition.

Свойства

Буки-бумага в десять раз легче, но потенциально в 500 раз прочнее стали, когда её листы складываются в композитный материал. При воздействии электрического заряда буки-бумагу можно использовать для освещения экранов компьютеров и телевизоров. Она может быть более энергоэффективной, лёгкой и обеспечивать более равномерный уровень яркости, чем современные технологии электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и жидкокристаллических дисплеев (ЖКД). Поскольку отдельные углеродные нанотрубки являются одними из самых теплопроводящих материалов, известных на данный момент, буки-бумага подходит для разработки теплоотводов, позволяющих компьютерам и другому электронному оборудованию более эффективно рассеивать тепло, чем это возможно сейчас. Это, в свою очередь, может привести к дальнейшим достижениям в области миниатюризации электроники. Плёнки из буки-бумаги также могут защищать электронные схемы и устройства в самолётах от электромагнитных помех, способных повредить оборудование и изменить настройки. Аналогично, такие плёнки могут позволить военным самолётам экранировать свои электромагнитные "сигнатуры", обнаруживаемые с помощью радаров. Буки-бумага может выступать в качестве фильтрующей мембраны для улавливания микрочастиц в воздухе или жидкости. Благодаря тому, что нанотрубки в буки-бумаге нерастворимы и могут быть функционализированы различными функциональными группами, они способны избирательно удалять соединения или действовать как сенсор. При достаточном объёме производства и экономически целесообразной цене композиты на основе буки-бумаги могут служить эффективной бронезащитой. Буки-бумагу можно использовать для выращивания биологических тканей, таких как нервные клетки. Буки-бумагу можно электрифицировать или функционализировать для стимуляции роста определённых типов клеток. Коэффициент Пуассона для буки-бумаги на основе углеродных нанотрубок можно контролировать, и она демонстрирует ауксетическое поведение, что позволяет использовать её в качестве искусственных мышц. Материалы для электродов суперконденсаторов, литий-ионных аккумуляторов и редокс-батарей на основе ванадия.