Войти
Углеродная нано-пена - это аллотроп углерода, обнаруженный в 1997 году и сотрудниками Австралийского национального университета в Канберре. Он состоит из кластера, состоящего из атомов углерода, связанных в рыхлую трехмерную сеть. Структура фрактальной -подобной связи состоит из sp графитоподобных -подобных кластеров, соединенных sp-связями. Sp-связи расположены в основном на поверхности структуры и составляют от 15% до 45% материала, что делает ее каркас похожим на алмазоподобные углеродные пленки. Материал очень легкий, с плотностью 2-10 x 10 г / см (0,0012 фунт / фут) и сопоставим с аэрогелем. Другие замечательные физические свойства включают большую площадь поверхности (сравнимую с цеолитами ) 300–400 м / г. Галлон нано-пены весит около четверти унции.
Каждый кластер имеет ширину около 6 нанометров и состоит из примерно 4000 атомов углерода , связанных в графитоподобных листах. которым придается отрицательная кривизна за счет включения семиугольников среди правильного шестиугольного шаблона. Это противоположно тому, что происходит в случае бакминстерфуллеренов, в которых углеродным листам придается положительная кривизна за счет включения пятиугольников.
. Крупномасштабная структура углеродной нановопены аналогична структуре аэрогель, но с 1% плотности ранее произведенных углеродных аэрогелей - или только в несколько раз большей плотности воздуха на уровне моря. В отличие от углеродных аэрогелей, углеродная нано-пена является плохим электрическим проводником. 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 ферромагнетиком, что необычно для аллотропа углерода. Ферромагнетизм - это внутреннее свойство углеродной нано-пены, которое может быть объяснено ее сложной структурой. Примеси в материале исключаются как источник магнетизма, поскольку они недостаточны для наблюдаемой сильной намагниченности. Исследователи постулируют, что внедренные атомы углерода с неспаренными электронами обладают достаточным магнитным моментом , чтобы вызвать сильное намагничивание. Кривизна листа локализует неспаренные электроны, разбивая облака π-электронов, и стерически защищает электроны, которые обычно были бы слишком реактивными, чтобы существовать. Ферромагнетизм углеродной нано-пены чувствителен к времени и температуре. Некоторый магнетизм теряется в течение первых нескольких часов синтеза, однако большая его часть остается стойкой. Углеродная нано пена может иметь некоторое применение в устройствах спинтроники, в которых спин электронов используется в качестве дополнительной степени свободы..
Углеродная нановопена может быть подходящей для хранения водорода из-за своей низкой плотности и большой площади поверхности. Предварительные эксперименты показали, что водород может накапливаться в нано-пене при комнатной температуре в обратимом процессе.
Синтез
Кластеры углеродной нано-пены могут быть синтезированы посредством лазерной абляции с высокой частотой повторения в инертной среде. газ, такой как аргон. Короткие (фс ) импульсы малой энергии (мкДж), передаваемые с высокой частотой повторения (10 кГц - 100 МГц), генерируют пары углерода для осаждения. Окружающий газ нагревается от комнатной температуры с помощью распыленного углерода, что приводит к увеличению парциальной плотности углерода в камере. В оптимальных условиях инертный газ не остывает, но поддерживает высокую температуру между циклами формирования. Последующие циклы в камере проводят при температурах выше пороговой температуры образования, инициирующей sp-связывание. Повышение плотности и температуры создает благоприятные условия для образования углеродистых кластеров. Скорость расхода превышает скорость испарения при лазерной абляции, и, таким образом, формация находится в неравновесном состоянии.
