Altre nanostrutture in carbonio: ONIONS, WHISKERS, NANOCONI, TOROIDI, NANOCOILS, NANOFOAM, PEAPODS

Transcript

1 Corso di nanostrutture a base di Carbonio Altre nanostrutture in carbonio: ONIONS, WHISKERS, NANOCONI, TOROIDI, NANOCOILS, NANOFOAM, PEAPODS Elena Decaneto 1

2 CARBON ONIONS Scoperta 1992, D.Ugarte carbon NPs con Au e La2O3 irradiation of cathodic soot microscopio a trasmissione elettronica 300 kv - corrente fascio A cm-2 20 min di trattamento , S. Iijima : studies of anomalous structures in evaporated carbon 2

3 Sintesi di onions dal carbonio Ugarte cathodic soot (evaporazione ad arco: NPs, Ntubi) Tsang, Harris by irradiation of fullerene soot Fuller, Banhart fullerene (C60, C240, C28 e C32) + Nitruro di Boro Scala 5 nm 3

4 Struttura Guscio centrale : nm diametro (~C60) Forma: sferica / sfaccettata Struttura atomica: 1) Kroto, N = 60b2 (C60, C240, C540, C960 e C1500) sp ~ 0.34 nm 2) Terrones, 1500 C, 132 penta, 120 hepta 1) Kroto 2) H. and U.4Terrones

5 Meccanismi di formazione 1) Banhart sputtering di atomi con fascio elettronico 2) Terrones distruzione strained regions 5

6 Sintesi di Bulk 1995, gruppo Bologna instabilità (150 Acm-2) decay time : 10 min - mesi 1994, gruppo Russia diamanti ultra-dispersi (~ 4.5 nm) C 1995,gruppo Francia fullerene onions fasci di ioni di carbonio su substrati di Cu e Ag, alta temperatura Altri gruppi sfere di carbonio da gas naturale Diamanti in carbon onions 1996, Banhart & Ajayan: C - fascio elettronico 6

7 Possibili Applicazioni ONIONS - lubrificanti solidi - > grado di curvatura catalizzatori - sintesi di stirene (dehydrogenation of etilbenzene) 7

8 Possibili Applicazioni dei NANODIAMANTI Precision machinery additivi in lubrificanti medicina: trasportatore di farmaci agente antitumorale pulizia e levigazione > anti-wear e self-cleaning 8

9 WHISKERS Origine sintetica o naturale Lunghezza > diametro Whiskers, nanoconi, CGP nuova famiglia strutture Orientazione dei piani impilati meccanismi di nucleazione condizioni di crescita 9

10 Sintesi e struttura dei whiskers 1) Crescita su elettrodi di carbonio usando scarica ad arco (92 atm). T ~ 3600 (da 3 cm a µm) 2) Deposizione pirolitica di idrocarburi, catalizzata da metalli (strati conici impilati) 3) Sintesi carbonio vetroso poroso 4) Trattamento termico a 2800 C dei prodotti di dissoluzione elettrolitica di martensite (forma di sigaro) 10

11 NANOCONES (1972) clorurazione di carburo di silicio a t > 1000 C (1994) Ge e Setter vapori di condensazione di atomi di C su grafite (θ ~ 19 ) In carbonio vetroso poroso ad alte T, da formaldeide aghi di grafite tubulari CVD microwave assisted (in CH4 e N2) 11

12 WHISKERS e CONI in natura Whiskers e coni calcite in rocce metamorfiche (Ontario) Coni e grafiti tubolari rocce di Kola (Russia) 12

13 WHISKERS e CONI in natura - sfaccettate + base circolare origine da CGP - morfologia fluidi metamorfici -whiskers a sigaro e/o punta a cupola crescita a spirale 13

14 Struttura rimozione settore β Introduzione difetti (pentagoni) Rotazione del layer θ1 ~ 19,2 θ2 ~ 38.9 θ3 ~ 60 θ4 ~ 86,6 θ5 ~ 123,6 Immagini SEM 14

15 Considerazioni geometriche Teorema di Eulero: (g = 0 per sfera, g =1 per toro) Vertice sp2 + spigolo C-C 12 pentagoni per struttura chiusa (60 ciascuno) Solo 5 angoli possibili! 15

16 Proprietà elettroniche Analisi STM e STS Spettro sperimentale confrontato con calcoli tight binding Banda di valenza mostra stati risonanti Picchi diversi per forme delle punte Immagine STM 16

17 Possibili applicazioni hydrogen storage Interazione punta-campione: Scanning tunnelling Microscope (STM) Microscopio a forza atomica (AFM) 17

18 CRISTALLI POLIEDRICI DI GRAFITE (1994) Liu e Cowley scoperti con nanodiffrazione e HRTEM Kratschmer e Muffman scarica d arco (in atm He a 550 Torr ) zone a diversa spaziatura < zone cilindriche > con più curvatura 18

19 Struttura GPC Immagini SEM Diametro : nm Lunghezza: µm Facce: da 5 a > 14 Struttura: elica o assiale Immagini TEM NTb multiwalls, singlewalls, etc. anealing Mwalls (T ~ 2000 C) poligonizzazione 19

20 GPC models (1) Tubi successivi si formano senza ordine in modo da adattarsi a circonferenza (2) Impilamento grafitico dei piani con difetti 20

21 GPC models Equazione empirica: d = interspazio D = diametro N = nanoshell 21

22 GPC proprietà Gap: Zig-zag 0,82 ev (10,0) semiconduttore 0,08 ev Ibridizzazione legami σ*-π* forte carattere sp3 spigoli ( difetti) abbassamento simmetria sistema no per armchair 22

23 GPC proprietà Zig-zag (12,0) metallico semiconduttore (gap 0.5 ev) 23

24 NANO-TOROIDI maglia Shinkai et all Applicazioni: + + condensazione gruppi carbossilici da ox-swnts - elettronica - sistemi superconduttivi 24

25 NANO-COILS sintesi CVD struttura a elica 3D buona conduttività (TEM) resistenza meccanica (manipolatore + SEM) APPLICAZIONI dispositivi elettronici dispositivi meccanici 25

26 NANOFOAM (1997) Andrei V. Rode Ablazione laser da grafite o carbonio vetroso Bassa densità: 2 mg/cm3 area sup: m2/g cluster di 6-9 nm C + curvatura (-) 26

27 Proprietà Scarso conduttore elettrico Proprietà paramagnetiche Proprietà ferromagnetiche < -183 C Applicazioni hydrogen storage in pile a combustibile imaging a risonanza magnetica trattamenti termici antitumorali 27

28 PEAPODS da soot carbon di arco in He o Laser Ablation purificazione con acido C60 interni (HCl, HNO3, H2O2) decappaggio + difetti laterali + annealing 28

29 Sintesi di DWNt Formazione DWNt Annealing a 1200 C Fase di condensazione > collisioni 29

30 Proprietà termiche T >> gas Tdebye Rottura legami VdW 90 K Modi molecolari 1D 30

31 Proprietà elettroniche Misure resistività : metodo 4 punte 31

32 Impieghi Additivi in colle e adesivi Sistemi di catene di spin Dispositivi elettronici (transistor a effetto di campo) Potenziali qubit Sc in gabbie di C 32

33 Bibliografia Peter J.F. Harris, Carbon Nanotubes and Related Structures New Materials for the Twenty-first century D. Ugarte, Curling and closure of graphitic networks under electron-beam irradiation, Nature, 359, 707 (1992) Gogotsi, Nanotubes and Nanofibers 33