Углеродная нанопена

Углеро́дная нанопе́на — аллотропная модификация углерода, представляющая собой мельчайшую сетку из углеродных нанотрубок и кластеров.

Углеродная нанопена под электронным микроскопом

Структура

Нанопена состоит из углеродных кластеров низкой плотности, нанизанных на нерегулярную трёхмерную сетку с периодом 5,6±0,4 Å[1]. Каждый кластер имеет диаметр около 6 нм и содержит порядка 12000 атомов углерода,[2] соединённых в графитоподобные слои, имеющие отрицательную кривизну, благодаря семиугольным включениям в шестиугольную структуру. Это противоположно структуре фуллеренов, у которых углеродные слои имеют положительную кривизну из-за пятиугольных включений. Крупномасштабная структура углеродной нанопены сходна с аэрогелем, но её плотность в 100 раз меньше плотности углеродного аэрогеля.

Содержание водорода — менее 100 млн−1, совокупное содержание других атомов — менее 500 млн−1 (в том числе Fe+Ni — менее 110 млн−1)[2].

Физические свойства

Углеродная пена представляет собой очень лёгкий порошок чёрного цвета. Плотность нанопены — порядка 2÷10 мг/см³[1]. Это одно из самых лёгких твёрдых веществ (для сравнения, плотность воздуха 1,2÷1,3 мг/см³)[3].

Углеродная нанопена имеет большое удельное сопротивление 10÷30 МОм·м (при комнатной температуре)[1] которое убывает с нагреванием, то есть она является полупроводником[4]. Таким образом, электропроводность нанопены гораздо меньше, чем у углеродного аэрогеля. Это связано с тем, что углеродная нанопена имеет многочисленные неспаренные электроны, наличие которых Роде объяснил тем, что в ней содержатся атомы углерода с тремя связями. Это обусловливает полупроводниковые свойства нанопены.

Углеродная нанопена обладает сильными парамагнитными свойствами, а при температуре ниже ~92 К (точка Кюри) становится ферромагнетиком с узкой петлёй гистерезиса. Поле насыщения — 0,42 СГСМ-ед./г[4].[2][5] Она имеет «постоянный» магнитный момент сразу после изготовления, но это состояние сохраняется лишь в течение пары часов. Это единственная форма углерода, которая притягивается к магниту при комнатной температуре[3].

История открытия

Впервые получена в 1997 году группой учёных из Австралии, Греции и России, работавшей в Австралийском Национальном университете в Канберре под руководством Андрея Роде при исследовании взаимодействия лазерного излучения с углеродом. В опыте использовался Nd:YAG-лазер с частотой следования импульсов 10 кГц[1]

Получение

Углеродную нанопену получают лазерной абляцией стеклоуглерода в среде аргона при давлении ~1÷100 Торр[1][4]. При этом углерод нагревается до 10000 °C и застывает в форме нанопены.

Применение

Благодаря очень маленькой плотности (2÷10 мг/см³) и большой площади поверхности (300÷400 м²/г), углеродная нанопена может быть использована для хранения водорода в топливных ячейках[6].

Полупроводниковые свойства нанопены могут быть использованы в электронике.

Химическая нейтральность и стойкость нанопены открывает широкие возможности применения нанопены в медицине:

  • магнитные свойства нанопены позволяют вводить её в кровоток и отслеживать течение крови в мельчайших капиллярах при помощи магнитно-резонансной томографии;[3]
  • поскольку нанопена хорошо поглощает инфракрасное излучение, то, введя её в опухоль, можно было бы уничтожить последнюю, облучая инфракрасным светом, поскольку нанопена нагревалась бы гораздо сильнее, чем соседние здоровые ткани.

Ссылки

Примечания
  1. Rode, Andrei V.; et al. Structural analysis of a carbon foam formed by high pulse-rate laser ablation (англ.) // Applied Physics A: Materials Science & Processing : journal. — 1999. — Vol. 69, no. 7. — P. S755—S758. — doi:10.1007/s003390051522.
  2. Rode, A. V.; et al. Magnetic properties of novel carbon allotropes // Carbon-based magnetism: an overview of the magnetism of metal free carbon-based compounds and materials (англ.) / Makarova, Tatiana L.; Palacio, Fernando. — Amsterdam: Elsevier, 2006. — P. 463—482. — ISBN 0444519475. Архивированная копия (недоступная ссылка). Дата обращения: 4 сентября 2010. Архивировано 18 марта 2012 года.
  3. Phil Schewe, Ben Stein. Carbon Nanofoam is the First Pure-Carbon Magnet (англ.), American Institute of Physics (26 March 2004). Дата обращения 10 сентября 2010.
  4. Rode, A. V.; et al. Unconventional magnetism in all-carbon nanofoam (англ.) // Physical Review B : journal. — 2004. — Vol. 70. — P. 054407. — doi:10.1103/PhysRevB.70.054407. Архивировано 20 июля 2008 года.
  5. Rode, A. V.; et al. Electronic and magnetic properties of carbon nanofoam produced by high-repetition-rate laser ablation (англ.) // Applied Surface Science : journal. — 2002. — Vol. 197—198. — P. 644—649. — doi:10.1016/S0169-4332(02)00433-6.
  6. R. Blinc, D. Arčon, P. Umek, T. Apih, F. Milia, A. V. Rode. Carbon nanofoam as a potential hydrogen storage material (англ.) // Physica Status Solidi (b) : journal. — 2007. — November (vol. 244, no. 11). — P. 4308—4310. — doi:10.1016/S0169-4332(02)00433-6.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.