ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΑΘΗΓΗΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ C60 και ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΛΕΞΑΚΗΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009 Σύμβουλος Καθηγητής: κ. ΣΩΤΗΡΙΟΣ ΒΕΣ

C60 και Νανοσωλήνες -Μορφές άνθρακα και παρασκευές τους. -Εφαρμογές.

-Αλλοτροπικές μορφές άνθρακα -Άμορφος άνθρακας -Αλλοτροπικές μορφές άνθρακα α) Διαμάντι β) Γραφίτης γ) Γραφένιο δ) Φουλερένιο ε) Νανοσωλήνας

Δομή Φουλερενίου C60 -Ανακαλύφθηκαν το 1985 στο Rice University -Ονομάστηκαν έτσι προς τιμή του αρχιτέκτονα Buckminster Fullerene -Το C60 έχει δομή μπάλας ποδοσφαίρου -Αποτελείται από 12 πεντάγωνα και 20 εξάγωνα -Η διάμετρός του κυμαίνεται από 0,7nm – 1,5nm

Παρασκευή φουλερενίου -Το 1990 αναπτύχθηκε η συσκευή Kratcshmer και Huffmann. -Εισάγεται He σε πίεση 100 Torr. Διαβιβάζουμε τάση για 10-15 sec στα ηλεκτρόδια γραφίτη Παράγεται σκόνη αιθάλης με 10% από C60. (C84, C70, C120) - Ο καθαρισμός γίνεται με τολουόλιο Συσκευή Kratcshmer και Huffmann

Νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) α) Εκκένωση τόξου (Arc Discharge) Μεταξύ 2 ράβδων γραφίτη, που απέχουν 1mm, διαβιβάζουμε 50Α – 100Α, παρουσία He. β) Απόπλυση λέιζερ (Laser Ablation) Μίγμα καταλύτη Co – Ni παρουσία Ar Καθαρότητα 70% Μειονεκτήματα: α) εξάχνωση C και β) πολλά είδη CNTs

γ) Χημική εναπόθεση ατμών (CVD) -Αποσύνθεση αερίων που περιέχουν C. -Πλεονέκτημα ο έλεγχος των παραγόμενων CNTs. Πέντε τύποι CVD α) με H-C (900ο ) παρουσία Fe β) HiPCO παρουσία οργανομεταλλικών καταλυτών (FenC, FenCO). Απόδοση Kg/day γ) CVD-CO παρουσία Pb (1200ο ) δ) CVD με αλκοόλες (καθαροί CNTs) ε) PECVD (Plasma-enhanced)

Καθαρισμός – εμπλουτισμός CNTs Αέρια μέθοδος Οξέα αντιδρούν με τον άμορφο C στην κατάλληλη Τ Υγρή μέθοδος Οξέα αντιδρούν με τους μεταλλικούς καταλύτες (σε συνδυασμό με την αέρια) Χρωματογραφία - Φυγοκέντρηση Ταξινόμηση CNTs Μέθοδοι ταξινόμησης α) Ιδιότητες (π.χ. δομή, διάμετρος) β) Είδος δυνάμεων (π.χ. ηλεκτρικές) γ) Τύπος μέσου (π.χ. κενό) δ) Βαθμός διαχωρισμού (π.χ. επιλογή ιδιοτήτων) ε) Κλίμακα παραγωγής Τρόποι ταξινόμησης α) Ηλεκτροστατική β) Επίδραση με RN2+ γ) Επίδραση DNA σε SWCNTs δ) Επίδραση χολικών αλάτων σε SWCNTs

Δομή στερεού C60 Απόσταση κέντρων 2 γειτονικών μορίων 10Ǻ. Οι ανακλάσεις αντιστοιχούν σε κυψελίδα συμμετρίας fcc με α=14,12Ǻ. Μόρια C60 → ενδοκεντρωμένο κυβικό πλέγμα.

Αγωγιμότητα - Υπεραγωγιμότητα Ιδιότητες C60 Αγωγιμότητα - Υπεραγωγιμότητα Εξάρτηση αγωγιμότητας Rb3C60 με την θερμοκρασία Τ Εξάρτηση αντίστασης των ΚxC60 με την ποσότητα του Κ

Φάσμα Raman C60 με Rb: (a) ημιαγωγός (b) μονωτής Εξάρτηση αντίστασης με τη θερμοκρασία

Ενδοφουλερένια X@C60 Διαλυτότητα Τοξικότητα ΔΙΑΛΥΤΗΣ ΔΙΑΛΥΤΌΤΗΤΑ (mg/ml) Τολουόλιο 3 Βενζόλιο 1,5 Διθειάνθρακας 8 Νερό 1,3·10-11 Metallofullerenes → (Sn, Y, La, K, Li) Τοξικότητα Non-metallofullerenes → (He, Ne, Ar, Kr, Xe )

Δομή CNT Ο CNT είναι τυλιγμένο φύλλο γραφενίου. Διεύθυνση περιστροφής γραφενίου Ch = na1 + ma2 Διάμετρος CNT Γωνία προσανατολισμού των εξαγώνων προς τη διεύθυνση του άξονα του CNT

ARMCHAIR (n,n) θ=30ο ZIGZAG( n,0) θ= 0ο CHIRAL (n,m) 0ο <θ<30ο

Ιδιότητες CNTs α) Ηλεκτρικές ιδιότητες CNTs (n,m) καθορίζουν την chirality και αυτή την αγωγιμότητα. Αν (n-m) διαιρείται με το 3 ο CNT είναι αγωγός, αν όχι ημιαγωγός Εξαγωνική ζώνη πρώτη Brillouin Διάγραμμα ενεργειακών ταινιών του γραφίτη k τέτοιο ώστε: nλ=πd με kd=2n και λ=2π/k

a) μεταλλικός armchair b) ημιαγωγός zigzag c) ημιαγωγός zigzag Σχέσεις διασποράς ενεργειακών καταστάσεων σε σχέση με το k E=0 Ενέργεια Fermi a) μεταλλικός armchair b) ημιαγωγός zigzag c) ημιαγωγός zigzag

β) Οπτικές ιδιότητες D.O.S. Διαγράμματα ασυνέχειες και υψηλές τιμές της διηλεκτρικής συνάρτησης ε με την ενέργεια: ε2(ω) = α) Μεταλλικός SWCNT β) Ημιαγωγός SWCNT

Διάγραμμα Kataura Διάγραμμα ενεργειακών καταστάσεων ανωμαλιών Van Hove Eij σε συνάρτηση της διαμέτρου των CNTs

Σκέδαση Raman RBM → Συχνότητα ακτινικών τρόπων ταλάντωσης CNT G-Band → επίπεδες δονήσεις 2 γειτονικών ατόμων C. (ημιαγωγός- αγωγός) D-Band → Ελαττώματα G/D → ποσοτικοποίηση της ποιότητας G΄ → Ύπαρξη ατέλειας στη δομή CNT SWCNT

γ) Μηχανικές ιδιότητες SWCNTs Ελαστικότητα: 2,8 TPa – 3,6 TPa Αντοχή στην έλξη: 320 GPa –1470 GPa MWCNTs Ελαστικότητα: 1,7 TPa – 3,6 TPa Αντοχή στην έλξη: 270 GPa – 950 GPa Y = ( )

Εφελκυσμός Φάσεις προσομοίωσης επιμήκυνσης SWCNT Στερεό υλικό Δέσμη

Φάσεις αυξανόμενης συμπίεσης Φωτογραφία SWCNT Στρέψη Στρέψη και συμπίεση Φωτογραφία SWCNT

δ) Θερμική αγωγιμότητα Θερμική αγωγιμότητα → βαλλιστική αγωγιμότητα Αγωγιμότητα – μήκος, για (5,5) SWCNT με α=0,25 Αγωγιμότητα- θερμοκρασία

ε) Χημικές ιδιότητες στ) Τοξικότητα CNTs ζ) Ατέλειες - Έχουν μεγαλύτερη δραστικότητα από γραφένιο λόγω σχήματος - Υδροφοβικοί στ) Τοξικότητα CNTs Επίδραση CNT σε κύτταρα μετά από 8 και 12 εβδομάδες ζ) Ατέλειες Μειώνουν τις ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες a) Χωρίς ατέλεια b) Μία ατέλεια c) Δύο γειτονικές ατέλειες

β) Αποθήκευση υδρογόνου Εφαρμογές C60 και CNTs α) Οργανικά φωτοβολταϊκά C60 → n-τύπου ημιαγωγός (δέκτης) C60 και C70 Απόδοση 5% - 5,4%. Του Si ~10% β) Αποθήκευση υδρογόνου

δ) Νανο-οχήματα Σασί → phenylene ethylene Τροχοί → C60 γ) Ιατρικές εφαρμογές Trimetasphere C60 -Αντιαλεργική δράση -Μεταφορείς φαρμάκων δ) Νανο-οχήματα Σασί → phenylene ethylene Τροχοί → C60

ε) Δέσμευση HIV-1 πρωτεάση από C60

β) Ενεργειακές εφαρμογές i) Μπαταρία Li-ion με CNT Εφαρμογές CNTs α) Νανοσωλήνες στην ηλεκτρονική Οι SWCNTs έχουν 1μm μέση ελεύθερη διαδρομη e-. Σχεδόν βαλλιστική ηλεκτρονική μεταφορά. Φάσμα συχνοτήτων της τάξης των GHz. Lithium β) Ενεργειακές εφαρμογές i) Μπαταρία Li-ion με CNT Carbontube

ii) Υπερπυκνωτής MWCNTs - Au b) c) Νανοκαλώδια CNT/Au d) Ένωση CNT/Au με πάχος ~ 15nm

iii) Φωτοβολταϊκά με CNTs

γ) Μηχανικές εφαρμογές 3D-νανοϋλικό Ηλεκτρικές – Χημικές Ιδιότητες Μελλοντική εφαρμογή σε διαστημόπλοια Νανομηχανές Μήκος 500nm

Διαστημικός ανελκυστήρας Καλώδιο μήκους ~ 50.000 Km και πλάτους 1.5 m

δ) Χημικές εφαρμογές CNTs Δεσμεύουν ιούς, βακτήρια, χλωριούχα άλατα Χρήση στην αφαλάτωση θαλασσινού νερού Buckypaper

Άλλες μορφές άνθρακα Nanobud Ιδιότητες μηχανικές και ηλεκτρικές ως CNT και χημικές ως C60 Νανοαφρός Μήκος 6 nm. 4000 άτομα C

Ανόργανοι νανοσωλήνες – Ανόργανες δομές φουλερενίων WS2, MoS2, BN, H2Ti3O7 V2O5

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Φουλερένια Νανοσωλήνες Κόστος οι ηλεκτρικές ιδιότητες αναμένεται να έχουν μεγάλη εφαρμογή σε βιομηχανικό επίπεδο Η δυνατότητα μεταφοράς στο εσωτερικό τους ατόμων αλλά και φαρμάκων υπόσχεται πολλά στην χημική και ιατρική επιστήμη Αποθήκη υδρογόνου. Περιβαντολογικό όφελος Νανοσωλήνες Ισχυρότερο υλικό με τέτοια αναλογία μήκους- διαμέτρου Αγωγός-ημιαγωγός Βαλλιστική θερμική συμπεριφορά Τοξικότητα Κόστος Φουλερένια 2,3$/g έως 376$/g Νανοσωλήνες MWCNTs από 5 €/g έως 10 €/g DWCNTs περίπου 25 €/g SWCNTs από 25€/g έως 200€/g,

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον επιβλέποντα καθηγητή μου κύριο Σωτήριο Βε, για την εμπιστοσύνη που μου έδειξε αναθέτοντάς μου αυτή την εργασία, για την καθοδήγησή του καθ’ όλη τη διάρκειά της και κυρίως για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα ενδιαφέρον και νέο αντικείμενο της φυσικής επιστήμης.