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][5][2] 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

• Учёные создали новую форму углерода — Membrana.ru
• Crazy carbon nanofoam loves magnets — ABC Science Online

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4 5} Rode, Andrei V.; et al. (1999). «Structural analysis of a carbon foam formed by high pulse-rate laser ablation». Applied Physics A: Materials Science & Processing 69 (7): S755–S758. DOI:10.1007/s003390051522.
2. ↑ ^{1 2 3} Rode A. V. Magnetic properties of novel carbon allotropes // Carbon-based magnetism: an overview of the magnetism of metal free carbon-based compounds and materials / Makarova, Tatiana L.; Palacio, Fernando. — Amsterdam: Elsevier, 2006. — P. 463–482. — ISBN 0444519475
3. ↑ ^{1 2 3} Phil Schewe, Ben Stein. Carbon Nanofoam is the First Pure-Carbon Magnet  (англ.), American Institute of Physics (26 March 2004). Проверено 10 сентября 2010.
4. ↑ ^{1 2 3} Rode, A. V.; et al. (2004). «Unconventional magnetism in all-carbon nanofoam». Phys. Rev. B 70: 054407. DOI:10.1103/PhysRevB.70.054407.
5. ↑ Rode, A. V.; et al. (2002). «Electronic and magnetic properties of carbon nanofoam produced by high-repetition-rate laser ablation». Applied Surface Science 197–198: 644–649. DOI:10.1016/S0169-4332(02)00433-6.
6. ↑ R. Blinc, D. Arčon, P. Umek, T. Apih, F. Milia, A. V. Rode (November 2007). «Carbon nanofoam as a potential hydrogen storage material». Physica Status Solidi (b) 244 (11): 4308–4310. DOI:10.1016/S0169-4332(02)00433-6. Проверено 2010-9-5.