快捷搜索:

科学知识

当前位置:betway必威官网手机版 > 科学知识 > 性情十足的奇妙材料,碳飞米管

性情十足的奇妙材料,碳飞米管

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-10-20 08:23

碳家族多少年来都风光无限,受到了各路科学人士的青睐有加,且不说生物学家们毕其一生都在碳基生命的各种问题里打滚,而材料物理学家更是努力不懈以它为基础作出各种性能性质的探索,从最滑软的石墨,到最坚硬的钻石,从含有碳元素的有机物,到其他元素和碳以各种方式化合而成的无机物,无不挖掘到极致。

近日,中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组,首次利用纳米管稠环封端“帽子”模板,构建出纵向切割的纳米管弯曲片段。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元的方法,可直接得到纳米笼状结构,为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。 无独有偶。几乎在同时,以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员,使用功能化碳纳米管生产出首个能在室温下使用通信波长发射单光子的碳纳米管材料。神奇材料碳纳米管,为何如此受各国科学家追捧? 空间结构像“挖空的足球” 1985年,“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。将“足球”挖空,保持表面的五角和六角网格结构,再沿着一个方向扩展六角网格,并赋予平面网格以碳—碳原子和共价键,就形成了具有中空圆柱状结构的碳纳米管。 碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管,层与层之间保持固定的距离,约0.34纳米,直径一般为2—20纳米。 “可以将碳纳米管联想为头发丝,而实际上它的直径只有头发丝的几万分之一,即几万根碳纳米管并排起来才与一根头发丝相当。”杜平武教授告诉科技日报记者,作为典型的一维纳米结构,单层碳原子和多层碳原子网格卷曲而成的单壁与多壁碳纳米管,直径通常为0.8—2纳米和5—20纳米,目前报道的最细碳纳米管直径可小至0.4纳米。 杜平武告诉记者,碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。若依其结构特征,碳纳米管则可分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等几种类型。 制备方法是挑战 “通常的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。”杜平武告诉记者,电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现的碳纳米管。“这种方法比较简单,但很难得到纯度较高的碳纳米管,并且得到的往往都是多层碳纳米管,而实际研究中人们往往需要的是单层碳纳米管。” “随后科研人员又发展出了化学气相沉积法,在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷,得到的碳纳米管纯度比较高,但管径不整齐,形状不规则。”杜平武说,后续逐步发展起来的固相热解法等,均受限于环境和条件。 “碳纳米管的制备过程与有机合成反应类似,其副反应复杂多样,很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管。”杜平武说,在强酸、超声波作用下,碳纳米管可以先断裂为几段,再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸,而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。 “如果通过类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖,那么只需找到少量的扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管,便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。”杜平武说,这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。 性能及尺寸超越硅基材料 “碳纳米管具有完美的一维管式结构,碳原子以碳—碳共价键结合,形成自然界中最强的化学键之一,因此轴向具有很高的强度和韧性。此外六角平面蜂窝结构围成的管壁侧面没有悬挂键,所以碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说,碳纳米管优异的性能表现在电学、热学和光学等方面,具有超越传统的导电、导热特性等等。 2013年,斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年,碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破,势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。 碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜,用作触摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体,不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性,可以做成曲面,已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。 碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管,给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管,科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。“我国在碳纳米管材料的基础研究方面处于领先地位,结构均一性的控制方法和理论不断创新,控制指标也逐年刷新。”杜平武说。

碳纳米管:个性十足的神奇材料

11月9日,强磁场科学论坛邀请吉林大学教授刘冰冰为论坛第九讲开讲。刘冰冰作了题为“高压下碳纳米材料的新奇结构”(High Pressure Induced Novel Structures in Carbon Nanomaterials)的学术讲座,中国科学院合肥物质科学研究院多个研究所的老师和同学参加了此次报告会。

上个世纪八十年代,一种含有60个碳原子的分子被发现,这种结构酷似足球的玩意儿既长得好看又显示出了无限的应用潜能,立刻成为了领域内的关注焦点,针对它的各种探测研究层出不穷。其实你可能早就听说过俗名叫足球烯的它,但也许不知道一点,足球烯C60可不是独孤求败,这一派系除了它以外还有不少角儿,因为在参透了造型法则之后自有人会去cosplay,下面这张图中从左到右展示的分别是C24、C28、C32、C50、C60和C70的模型(要知道现实世界中它们都已经被造出来了)。怎么样?看上去是不是很拉风?

第二看台

纳米材料与块体材料相比,有着尺寸效应、限域效应和晶界效应等性质。在高压下,纳米材料往往能表现出和块体材料不同的物理化学性质,纳米材料与高压手段相结合,能发现一些新现象、新结构和新规律,为此,纳米材料的高压研究引起了研究者极大的关注。刘冰冰长期从事高压下凝聚态物质和功能材料的研究,将高压物理和纳米材料相结合,在国际上率先开展了高压原位纳米材料新兴交叉领域的研究。

图片 1

本报记者 吴长锋

本次报告中,刘冰冰主要就课题组利用高压原位拉曼技术对碳纳米材料,如富勒烯、碳纳米管等高压下的新奇物理性质的研究工作进行了详细的介绍。会后,刘冰冰参观了强磁场中心的稳态强磁场实验装置及部分实验室,并就高压下材料的性能研究相关问题与强磁场中心科研人员进行了沟通和交流。

C60被发现后没几年,又有一种叫做碳纳米管的东西被发现了,它也很好玩,想象一下,这是类似于我们平常所吃的蛋卷那样的造型,只不过,做成这个卷的不是面粉加蛋经烘焙,却是很多碳原子两两之间以共价键形成许多六边形,一大片六边形卷起来一个圆筒。碳纳米管长得也蛮好玩的——

近日,中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组,首次利用纳米管稠环封端“帽子”模板,构建出纵向切割的纳米管弯曲片段。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元的方法,可直接得到纳米笼状结构,为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。

刘冰冰在Science、PNAS、Adv Mater等刊物上发表SCI论文150余篇,获国家自然科学奖二等奖(第三完成人,2014年),现任吉林大学超硬材料国家重点实验室主任,教育部长江学者、国家杰出青年基金获得者、中组部“万人计划”人选、中国青年女科学家奖获得者,现为中国物理学会高压物理专业委员会秘书、中国物理学会表面物理专委会以及光散射专委会委员。

图片 2

无独有偶。几乎在同时,以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员,使用功能化碳纳米管生产出首个能在室温下使用通信波长发射单光子的碳纳米管材料。神奇材料碳纳米管,为何如此受各国科学家追捧?

讲到此处,我要问了,你有没有想过,把C60和碳纳米管合二为一会得到什么呢?

空间结构像“挖空的足球”

那就是一种叫做“豆荚”的东西啦。豆荚大家都看过甚至吃过吧,长长的外壳鼓囊囊的,打开以后里面有一个个小豆子。

1985年,“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。将“足球”挖空,保持表面的五角和六角网格结构,再沿着一个方向扩展六角网格,并赋予平面网格以碳—碳原子和共价键,就形成了具有中空圆柱状结构的碳纳米管。

下图展示了一个“碳纳米管 足球烯”型豆荚是怎么装出来的过程——

碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管,层与层之间保持固定的距离,约0.34纳米,直径一般为2—20纳米。

图片 3

“可以将碳纳米管联想为头发丝,而实际上它的直径只有头发丝的几万分之一,即几万根碳纳米管并排起来才与一根头发丝相当。”杜平武教授告诉科技日报记者,作为典型的一维纳米结构,单层碳原子和多层碳原子网格卷曲而成的单壁与多壁碳纳米管,直径通常为0.8—2纳米和5—20纳米,目前报道的最细碳纳米管直径可小至0.4纳米。

看起来也蛮简单的,但在实际操作中也并非那么简单,特别是,吉林大学超硬材料研究室的刘冰冰教授采用的是一种气相扩散方法将C60分子填充到单壁碳纳米管中,作出了相当“充实”的豆荚形纳米材料,填充率达到了80%以上,也就是说,完成了相当于这样的一件任务——

杜平武告诉记者,碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。若依其结构特征,碳纳米管则可分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等几种类型。

图片 4

制备方法是挑战

然后就得到了——

“通常的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。”杜平武告诉记者,电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现的碳纳米管。“这种方法比较简单,但很难得到纯度较高的碳纳米管,并且得到的往往都是多层碳纳米管,而实际研究中人们往往需要的是单层碳纳米管。”

图片 5

“随后科研人员又发展出了化学气相沉积法,在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷,得到的碳纳米管纯度比较高,但管径不整齐,形状不规则。”杜平武说,后续逐步发展起来的固相热解法等,均受限于环境和条件。

通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)拍照,证明了他们得到的“豆荚”中,豆粒儿的确是非常高的——

“碳纳米管的制备过程与有机合成反应类似,其副反应复杂多样,很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管。”杜平武说,在强酸、超声波作用下,碳纳米管可以先断裂为几段,再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸,而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。

图片 6

“如果通过类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖,那么只需找到少量的扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管,便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。”杜平武说,这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。

理论计算和实验的结果都表明,填充了C60分子的碳纳米管,有多方面性能的提升,比如更强的机械性能、较高的超导温度、更好的化学稳定性等。而事实上刘教授的工作不仅于此,由于一直以来从事的是高压材料物理性能的研究,所以她想到了把这些根豆荚放到金刚石对顶砧装置下,以21.5GPa逼近地心的压力去观察它会产生啥奇妙性质,而在之前,尽管有人想到过用高压的办法,却没有想到过用高压 紫外线的办法去,所以就这个意义上而言也算独此一家啦。高压下,C60分子之间有可能形成共价键,进一步形成二聚、一维链状相聚合,甚至聚合成二维、三维结构,聚合后在物性和化性上,都表现出吸引人的变化,简单来说就是更硬更强更能耐。因为这些高压物理方面取得的突破,刘冰冰获得了2011年欧莱雅“中国青年女科学家奖”。

性情十足的奇妙材料,碳飞米管。性能及尺寸超越硅基材料

图片 7

“碳纳米管具有完美的一维管式结构,碳原子以碳—碳共价键结合,形成自然界中最强的化学键之一,因此轴向具有很高的强度和韧性。此外六角平面蜂窝结构围成的管壁侧面没有悬挂键,所以碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说,碳纳米管优异的性能表现在电学、热学和光学等方面,具有超越传统的导电、导热特性等等。

此外C60分子内还可以填充一些其他原子,引进各种性质,这种包裹比起豆荚来又是另一番应用,所以碳家族还真是新生不断、未来无极限。让我们期待吧!

2013年,斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年,碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破,势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。

图片 8

碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜,用作触摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体,不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性,可以做成曲面,已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。

了解更多

刘冰冰主页

中国青年女科学家奖官网

碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管,给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管,科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。“我国在碳纳米管材料的基础研究方面处于领先地位,结构均一性的控制方法和理论不断创新,控制指标也逐年刷新。”杜平武说。

本文由betway必威官网手机版发布于科学知识,转载请注明出处:性情十足的奇妙材料,碳飞米管

关键词: