1

2

CUPRINS1. Definirea notiunilor

1.1. Carbonul

1.2. Nanotuburi de carbon

 

2. Studiul proprietatilor carbonului

3. Studiul proprietatilor nanotuburilor de carbon

3.1. Proprietatile Nanotuburilor de Carbon

4. Forme constructive/alotrope ale nanotuburilor de carbon

4.1. Nanotuburi cu un singur perete (SWNT)

4.2. Nanotuburi cu mai multi pereti (SNWT)

 

5. Aplicatii ale CNT

5.1. Functionalizarea Nanotuburilor de Carbon

5.2. Metode de funcţionalizare

5.3. Metode de sinteza ale Nanotuburilor de Carbon

 6. Toxcitate CNT

7. Concluzii

3

1.DEFINIREA NOTIUNILOR

• Carbonul-are simbolul C.Cele 3 stari naturale ale carbonului: diamantul, grafitul carbonul amorfiu .

• Nanotuburile de carbon - (CNT) sunt forme alotropice de carbon

Acestea manifesta o duritate si conductibilitate electrica foarte bune si sunt de asemenea buni conductori de caldura

4

2.Studiul proprietatilor carbonului

• Diamant, cel mai dur material cunoscut, fiecare atom este in legatura cu alti 4 atomi intr-un schelet 3D

• Grafitul consista in legaturi saptamanale de straturi de atomi care sunt aranjati in hexagon.

• C amorfiu este caracterizat de un grad scazut de cristalinitate.

Fig.1. Formele alotropice ale carbonului: a) diamant, b) grafit, c) Lonsdaleit; d, e, f) fulerene C60,, C540, respectiv C70,, g) carbon amorf, h) nanotub de carbon

5

• Natura legaturilor dintr-un nanotub este descrisa de chimia cuantica aplicata, in special prin hibridizare orbitala. Legaturile chimice din nanotuburi sunt compuse in intregime din legaturi sp² , similare cu cele de grafit. Acest tip de legaturi , care sunt mai puternice decat legaturile de tip sp³ gasite in structura diamantului, asigura duritatea unica a moleculelor .

Fig.2. Clasificarea formelor alotrope ale carbonului în conformitate cu gradul de hibridizare.

3. Studiul proprietatilor nanotuburilor de carbon

6

3.1.Proprietăţile nanotuburilor de carbon1) Proprietăţi mecanice:

- rezistenţa axială excepţional de mare2) Proprietăţi electrice:

- conductori unidimensionali3) Proprietăţi termice:

- conductivitate termică mare, valorile teoretice sunt cuprinse în intevalul 2800-6000 W/mK

- căldură specifică mare (se pot folosi ca aditivi în adezivi şi conducte încălzite)a) Proprietăţile mecanice ale CNT-urilor au fost mult studiate, atât prin utilizarea de tehnici experimentale, cât şi prin mijloace computaţionale. b) Conductivitatea electrică-posibilitatea utilizării CNT-urilor drept umpluturi conductoare în compozitele polimerice a fost deja raportată în literatura de specialitate. Datorită ariei mari a suprafeţei, CNT-urile constituie medii interesante pentru stocarea energiei electrice.

7

Fig.4. Variaţia vâscozităţii compozitului MWNT/PP funcţie de conţinutul de nanotuburi de carbonFig.3. Rezistivitatea volumică

electrică a compozitelor MWNT/PP funcţie de conţinutul nanotubului

8

4. Forme constructive/alotrope ale nanotuburilor de carbon

• 4.1.Nanotuburi cu un singur perete-(SWCNT)-constau într-o singură foaie grafitică înfăşurată sub forma unui tub cilindric care la capăt prezintă o jumătate de fulerenă.

Fig .5.Reprezentarea schematică a SWCNT

9

Modul de înfăşurare a foii grafitice

• -structură zig-zag• -structură armchair• -structură dependentă de chiralitate(de axa după care se

infăşoară foaia grafitică)

Fig.6.Structurile CNT

10

11

12

4.2. Nanotuburile cu mai multi pereti (MWCNT) • sunt formati din mai multe straturi de grafit rulate in jurul

propriei axe pentru a realiza o forma de tub.

Nanotuburile de carbon cu pereti multiplii (MWCNT)- pot fi privite ca o colecţie de câteva tuburi concentrice dispuse asemenea ’’păpuşii ruseşti’’.Această dispunere este asigurată de prezenţa forţelor Waals.

Fig.5. MWCNT

13

5. Aplicatii ale CNT

5.1.Functionalizarea Nanotuburilor de Carbon

Conjugarea nanotuburilor de carbon cu biomoleculele reprezintă un domeniu de cercetare atractiv al nanobiotehnologiei.

Utilizarea nanoparticulelor în domeniul medical a fost motivată de următoarele caracteristici ale acestora:

• nanoparticulele prezintă proprietăţi diferite de cele din domeniul macroscopic chiar şi atunci când prezintă aceeaşi compozitie;

• datorită dimensiunii, compoziţiei şi morfologiei pot circula prin corp, spre diferite părţi ale corpului sau spre celule individuale.

14

5.2.Metode de funcţionalizare

Funcţionalizarea CNT - constă în modificarea peretelui extern a CNT. Această modificare are impact asupra proprietăţilor CNT. De exemplu, solubilitatea, dispersia CNT într-un anumit mediu sunt dependente de agentul de modificare utilizat.

• Modificarea suprafeţei CNT se poate realiză prin diferite metode, cele mai uzuale fiind:

Funcţionalizarea defectelor, Funcţionalizarea non-covalentă Functionalizarea covalentă .

Aceste metode au fost clasificate ca fiind metode fizice, chimice sau metode electrochimice.

15

• Metoda ce implică funcţionalizarea defectelor Această metodă constă în ataşarea unor grupări funcţionale precum

carbonil, carboxil sau hidroxil pe suprafaţa..Defectele generate afectează semnificativ proprietăţile mecanice ale nanotuburilor.

• Funcţionalizarea noncovalentă Această metodă prezintă un interes deosebit deoarece nu implică o

compromitere a proprietăţilor fizice a CNT, permiţând totodată îmbunătăţirea solubilităţii şi a procesabilităţi CNT. Metoda prezintă avantajul menţinerii structurii aromatice a CNT şi a caracteristicilor electronice.

• Funcţionalizarea covalentă Funcţionalizarea covalentă presupune crearea unor legături chimice

puternice între polimeri şi CNT

16

5.3.Metode de sinteză ale nanotuburilor de carbon

1- Descărcarea în arc electric ;2- Indepărtarea cu laser ;3- Catalitică - depunerea chimică în fază de vapori

(CVD).

1. Sinteza prin descărcare în arc electric

Se creează o plasmă de descărcare între anod şi catod, anodul (confecţionat din carbon) vaporizează şi precipită pe catod, ca CNTs. În proces se pot obţine de asemenea şi alte forme de carbon, altele CNTs. MWNTs se obţin fără catalizator, iar SWNTs cu catalizator de Fe, Ni-Y. Variabilele includ: presiunea gazului în reactor, condiţiile de arc.

17

2. Sinteza prin îndepărtarea cu laser

În această metodă o undă laser vaporizează grafitul într-un reactor la temperatură ridicată, în timp ce un gaz inert este introdus în cameră, nanotuburile se depun pe suprafeţele reci ale reactorului, deoarece carbonul vaporizat condensează.

3) Sinteza catalitică - depunerea chimică în fază de vapori (CVD)

Depunerea catalitică în fază de vapori a fost prima dată raportată în 1959 dar până în 1993, nu s-au putut obţine nanotuburi de carbon pe această cale.

În timpul CVD, se pregăteşte un strat de particule metalice catalitice, cel mai obişnuit de nichel, cobalt, fier sau combinate.

Pentru a iniţia dezvoltarea nanotuburilor, se introduc în reactor două gaze:

- un gaz de proces, cum ar fi: amoniac, azot, hidrogen etc- un gaz ce conţine carbon, cum ar fi: acetilena, etilena, etanol,

metan etc.

18

Aplicaţii ale nanotuburilor de carbon

Fig.8. Imagine SEM a spumelor super-compresibile

Fig.9. Nanotuburi de carbon: fiecare biluţă este un atom de carbon legat covalent cu vecinii săi

19

Fig.10. Nanotuburi de carbon folosite pentru obţinerea vestei antiglonţ

Fig.11. Formarea diodei prin unirea a doua nanotuburi de carbon

20

Fig.12. Structura nanotuburilor de carbon

Fig.13. Nanotuburi de carbon

21

Aplicatii• INDUSTRIA AUTO : RANFORSAREA CAROSERIILOR SI

ANVELOPELOR,LUBRIFIANTI ,PROTECTIA PARBRIZELOR.• MEDICINA:

22

Armură pentru soldatul ROBOCOPAceastă tehnologie implică faptul că

fiecare centimetru pătrat de material va conţine senzori şi mecanisme de „întărire", prin repoziţionarea nanotuburilor. Uniformele duale, care vor putea fi alternativ flexibile ca orice pânză, de o duritate excepţională, vor putea trece dintr-o stare în alta şi la comanda verbală a purtătorului. Şi asta nu e tot. Acelaşi material va putea imita culorile mediului atât de bine încât, în câteva fracţiuni de secundă, soldatul va deveni aproape invizibil de la distanţă.

23

NANORADIO Un aparat de radio mai mic de

300 miliarde de ori decât primele receptoare radio.Unul care sã încapă într-o celulă vie…

Credeţi că este posibil?

Desigur. El este deja la primii paşi. Realizarea aparţine unei echipe de cercetători de la o universitate din SUA.

Acest receptor poate să încapă într-o celulă vie ceea ce ar putea face ca urechea noastră să fie capabilă să recepţioneze semnale radio.

Produs din nanotuburi de carbon, dispozitivul este de aproape 1.000 de ori mai mic decât cel mai mărunt aparat radio existent la ora actuală.

24

25

Roboţi minusculi măriţi la scara de 10¹º nanometri

Un grup de cercetători de la Universitatea din Glasgow a reuşit să construiască nişte dispozitive nanometrice, dotate cu aparatură foarte sofisticată, care pot transmite prin unde radio informaţii meteo şi audio-vizuale la distanţe comparabile cu distanţa dintre Pământ şi celelalte planete ale Sistemului Solar. Aceste dispozitive urmează să fie lansate cu sutele de miipe câte o planetă. Pe fiecare planetă, reţeaua va fi „distribuită" de vânt, fiind – de fapt – în continuă mişcare, în funcţie de condiţiile atmosferice. 

26

27

Conform calculelor făcute, cablul sau cablurile care vor fi folosite pentru liftul spaţial vor trebui să fie de 180 de ori mai rezistente decât oţelul. În ultimii 5 ani, cercetătorii de la Cambridge au ajuns la o rezistenţă de 100 de ori mai mare, aşa că speranţele în această direcţie sunt cât se poate de întemeiate. Mai mult, acest material special are o conductivitate electrică destul de bună, astfel încât este luată în considerare folosirea energiei electrice pentru acţionarea liftului, într-un mod similar cu cel folosit în cazul trenurilor de mare viteză.

28

Liftul spatial poate fi utilizat

pentru

lansarea altor nave.

Pentru noi, oamenii de rând, acest

proiect poate reprezenta cea mai ieftină

şi mai sigură modalitate de a merge în

spaţiu. Nu au fost oferite încă previziuni

în legătură cu o posibilă dată de

terminare a construcţiei, însă ar putea fi

vorba 10-20 de ani sau chiar mai mult. Pentru aceia dintre dumneavoastră care sunt încă sceptici, aflaţi că Japonia va fi în luna noiembrie gazda unei conferinţe internaţionale pe tema liftului spaţial.

29

Nanodoctori, în 30 de ani Cum ar fi să putem înghiţi un

doctor mic de tot, care să poată

călători prin sânge pană la orice

celulă bolnavă a corpului?

Nanodoctorul s-ar putea

pricepe la toate: să ofere medicaţie,

să extirpe tumori, să facă analize şi

să „pună umărul" la reconstrucţia

ţesuturilor distruse accidental.

30

Motorul minuscul

31

Circuit electric din nanotuburi de carbon pe o suprafaţă flexibilă din plastic

Printre cele mai importante avantaje ale circuitelor realizate cu nanotuburi de carbon sunt o bună flexibilitate şi tensiuni de operare de sub 5 Volţi. Un parametru cheie în evaluarea performanţelor tranzistorilor este mobilitatea efectului de câmp, parametru ce oferă informaţii despre eficienţa fluxului sarcinii într-un tranzistor. Astfel, dacă un tranzistor realizat din polimeri dispune de o mobilitate de 1cm2 V-1 s-1, unul realizat din nanotuburi de carbon dispune de o mobilitate de 70, 80 de ori mai mare. De exemplu, un tranzistor dintr-un cristal lichid utilizat în realizarea panelurilor LCD, are nevoie de o mobilitate de 10 cm2 V-1 s-1 pentru a putea reda corect un semnal standard de televiziune.

32

INDUSTRIA ELECTRONICA

• ECRANE TOUCH SCREEN,TRANZISTOARE SI CHIP-URI CU NANOTUBURI DE CARBON

33

6. Toxcitate CNT

• S-a demonstrat faptul că toxicitatea CNT este o problemă complexă ce depinde de numeroşi factori precum tipul CNT, metoda de sinteză, puritatea CNT, tipul agentului utilizat la modificarea suprafeţei CNT, densitatea grupărilor funcţionale existente pe suprafaţa CNT, solubilitatea în apă, gradul de dispersie, tipul si concentraţia impuritătilor (impurităţi metalice precum fier, nichel). De asemenea dimensiunile (lungimea, diametrul) CNT influenţează citotoxicitatea acestora.

• Cunoştinţele în domeniul nanotoxicologiei s-au îmbogătit dar nu suficient de mult pentru a înţelege complet impactul CNT asupra sănătăţii şi de aceea studii suplimentare sunt necesare în acest sens.

34

7. Concluzii

• Nanostructurile carbonice pot constitui baza unor progrese notabile în domeniul controlului poluării mediului înconjurător, al ranforsării materialelor uşoare şi al stocărilor de energie, al catalizatorilor sau suporţilor pentru catalizatori precum şi al emisiei de câmp, nanodispozitivelor electronice ori ecranării interferenţelor electromagnetice.

• Flexibilitatea lor morfologică le face multifuncţionale dovedindu-se în cea mai mare parte compatibile cu sistemele anorganice şi biologice şi putând avea deci extrem de atractive aplicaţii în biologie şi medicină .

35

Bibliografie

P.V. Notingher, Materiale pentru electrotehnica, Vol. 2, POLITEHNICA PRESS, 2005.

I. Sandu, I. Morjan, I. Voicu, R. Alexandrescu, F. Dumitrache, I. Soare, C.T. Fleaca, L. Albu, M. Scarisoreanu şi E. Popovici, Smart Materials and Structures 15(3), 816-820 (2006)

1. http://www.stiintasitehnica.com/aripile-de-fluture-bionice-sunt-cei-mai-performan-i-senzori-termici_1161.html

2. http://www.go4it.ro/curiozitati/liftul-spatial-sau-cum-vor-japonezii-sa-ajunga-in-spatiu-3220142/p2/

3. http://www.e-design.idsi.md/ro/database/problems?page=63

4. http://www.itim-cj.ro/PNCDI/SisHib/Proiect_ceres_2004.html

5. http://www.descopera.ro/stiinta/5189803-nanotehnologia-ingerii-microscopici-ai-viitorului