Вуглецева нанопіна

Вуглеце́ва нанопі́на — алотропна модифікація вуглецю, що являє собою мікросітку з нанотрубок і кластерів.

Структура

Нанопіна складається з вуглецевих кластерів низької щільності, нанизаних на нерегулярну тривимірну сітку з періодом (5,6 ± 0,4) Å. Кожен кластер має діаметр близько 6 нм і містить порядку 12 000 атомів вуглецю, з'єднаних в графітоподібні шари, що мають негативну кривизну, завдяки семикутним включенням в шестикутну структуру. Це протилежно структурі фулеренів, у яких вуглецеві шари мають позитивну кривизну через п'ятикутних включень. Великомасштабна структура вуглецевої нанопіни подібна з аерогелем, але її густина в 100 разів менше густини вуглецевого аерогелю.

Вміст водню — менше 100 млн⁻¹, сукупний вміст інших атомів — менше 500 млн ⁻¹ (в тому числі Fe+Ni — менше 110 млн⁻¹).

Фізичні властивості

Вуглецева піна являє собою дуже легкий порошок чорного кольору. Густина нанопіни — близько 2÷10 мг/см³. Це одна з найлегших твердих речовин (для порівняння густина повітря 1,2÷1,3 мг/см³).

Вуглецева нанопіна має великий питомий опір 10÷30 МОм·м (при кімнатній температурі), який зменшується з нагріванням, тобто вона є напівпровідником. Таким чином електропровідність нанопіни набагато менше, ніж у вуглецевого аерогелю. Це пов'язано з тим, що вуглецева нанопіна має численні неспарені електрони, наявність яких Роде пояснив тим, що в ній містяться атоми вуглецю з трьома зв'язками. Це обумовлює напівпровідникові властивості нанопіни.

Вуглецева нанопена володіє сильними парамагнітними властивостями, а при температурі нижче ~ 92 К (точка Кюрі) стає феромагнетиком з вузькою петлею гістерезису. Поле насичення — 0,42 СГСМ-од/г. Вона має «постійний» магнітний момент відразу після виготовлення, але цей стан зберігається лише протягом двох годин. Це єдина форма вуглецю, яка притягається до магніту при кімнатній температурі.

Історія відкриття

Вуглецеву нанопіну вперше отримала 1997 року група вчених з Австралії, Греції та Росії, яка працювала в Австралійському Національному університеті в Канберрі під керівництвом Андрія Роде, при дослідженні взаємодії лазерного випромінювання з вуглецем. У досліді використовувався Nd:YAG-лазер із частотою проходження імпульсів 10 кГц.

Одержання

Вуглецеву нанопіну отримують лазерною абляцією скловуглецю в середовищі аргону при тиску ~ 1÷100 Торр. При цьому вуглець нагрівається до 10 000 °C і застигає у формі нанопіни.

Застосування

Завдяки дуже маленькій густині (2÷10 мг/см³) і великій площі поверхні (300÷400 м²/г), вуглецева нанопіна може бути використана для зберігання водню в паливних комірках.

Напівпровідникові властивості нанопіни можуть бути використані в електроніці.

Хімічна нейтральність і стійкість нанопіни відкриває широкі можливості її застосування в медицині:

• Магнітні властивості нанопіни дозволяють вводити її в кровотік і відстежувати перебіг крові в найдрібніших капілярах за допомогою магнітно-резонансної томографії;
• Оскільки нанопіна добре поглинає інфрачервоне випромінювання, то ввівши її в пухлину, можна було б знищити останню, опромінюючи інфрачервоним світлом, оскільки нанопіна нагрівалася б набагато сильніше, ніж сусідні, здорові тканини.

Примітки

1. Rode, A. V.; et al. (2006). . У Makarova, Tatiana L.; Palacio, Fernando. Carbon-based magnetism: an overview of the magnetism of metal free carbon-based compounds and materials. Amsterdam: Elsevier. с. 463–482. ISBN 0444519475. Архів оригіналу за 18 березня 2012. Процитовано 6 вересня 2012. 
2. . Архів оригіналу за 8 червня 2015. Процитовано 6 вересня 2012. 

Інтернет-ресурси

• Учёные создали новую форму углерода [ 24 листопада 2005 у Wayback Machine.] — Membrana.ru
• Crazy carbon nanofoam loves magnets [ 14 квітня 2014 у Wayback Machine.] — ABC Science Online