ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

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

2. C60 και Νανοσωλήνες -Μορφές άνθρακα και παρασκευές τους. -Ιδιότητες C60και νανοσωλήνων. -Εφαρμογές.

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

4. Δομή Φουλερενίου C60 -Ανακαλύφθηκαν το 1985 στο Rice University -Ονομάστηκαν έτσι προς τιμή του αρχιτέκτονα Buckminster Fullerene -Το C60έχει δομή μπάλας ποδοσφαίρου-Αποτελείται από 12 πεντάγωνα και 20 εξάγωνα-Η διάμετρός του κυμαίνεται από 0,7nm – 1,5nm

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

6. Νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) Μέθοδοι σύνθεσης 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 ArΚαθαρότητα 70% Μειονεκτήματα: α) εξάχνωση C και β) πολλά είδη CNTs

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

11. 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 αλάτωνσε SWCNTs

12. 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.

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

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

15. Ενδοφουλερένια X@C60 Διαλυτότητα Metallofullerenes → (Sn, Y, La, K, Li) Τοξικότητα Non-metallofullerenes→ (He, Ne, Ar, Kr, Xe )

16. Δομή CNT Ο CNT είναι τυλιγμένο φύλλο γραφενίου. Διεύθυνση περιστροφής γραφενίουCh= na1+ ma2Διάμετρος CNTΓωνία προσανατολισμού των εξαγώνων προς τη διεύθυνση του άξονα του CNT

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

19. 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 BrillouinΔιάγραμμα ενεργειακών ταινιών του γραφίτη k τέτοιο ώστε: nλ=πd με kd=2n και λ=2π/k

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

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

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

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

24. Y= ) ( γ) Μηχανικές ιδιότητες SWCNTsΕλαστικότητα: 2,8 TPa – 3,6 TPaΑντοχή στην έλξη: 320 GPa –1470 GPaMWCNTsΕλαστικότητα: 1,7TPa – 3,6 TPaΑντοχή στην έλξη: 270 GPa – 950 GPa

25. Εφελκυσμός Φάσεις προσομοίωσης επιμήκυνσης SWCNT Στερεό υλικό Δέσμη

26. Φάσεις αυξανόμενης συμπίεσης Φωτογραφία SWCNT Στρέψη Στρέψη και συμπίεση Φωτογραφία SWCNT

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

28. ε) Χημικές ιδιότητες - 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

29. Εφαρμογές C60και CNTs α) Οργανικά φωτοβολταϊκάC60→ n-τύπου ημιαγωγός (δέκτης)C60και C70Απόδοση 5% - 5,4%. Του Si~10% β) Αποθήκευση υδρογόνου

30. γ) Ιατρικές εφαρμογές • Trimetasphere C60 -Αντιαλεργική δράση-Μεταφορείς φαρμάκων δ) Νανο-οχήματαΣασί → phenylene ethyleneΤροχοί → C60

32. ε) Δέσμευση HIV-1πρωτεάση από C60 στ) Φίλτρα νερού με C60 Τα C60 εμποδίζουν την αναπνοή βακτηρίων στα φίλτρα νερού

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

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

35. iii) Φωτοβολταϊκά με CNTs

36. γ)Μηχανικές εφαρμογές • 3D-νανοϋλικόΗλεκτρικές – Χημικές Ιδιότητες Μελλοντική εφαρμογή σεδιαστημόπλοια ΝανομηχανέςΜήκος 500nm

37. Διαστημικός ανελκυστήρας Καλώδιο μήκους ~ 50.000 Km και πλάτους 1.5 m

40. δ) Χημικές εφαρμογές CNTs Δεσμεύουν ιούς, βακτήρια, χλωριούχα άλαταΧρήση στην αφαλάτωση θαλασσινού νερού Buckypaper

41. Άλλες μορφές άνθρακα NanobudΙδιότητες μηχανικές και ηλεκτρικές ως CNT και χημικές ως C60 ΝανοαφρόςΜήκος 6 nm.4000 άτομα C

42. Ανόργανοι νανοσωλήνες – Ανόργανες δομές φουλερενίων WS2, MoS2, BN, H2Ti3O7V2O5

43. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Φουλερένια • 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,

44. 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.