Att en ginstrande diamant i grunden är samma ämne som blyertspennan är rätt spännande. Det kallas att de är allotroper, där det är kristallstrukturer som skiljer och ger så fundamentalt olika egenskaper. När det gäller kol nanomaterial kristall struktur kan man dela in det i fyra grupper som avser rörelsefriheten hos elekronerna:
0D Fulleren, Carbon Quantum Dot
1D Carbon nanotube (CNT), kol nanohorn
2D Grafene
3D Diamant, Grafit.
Fullerenes
I mitten av 1980-talet upptäcktes en ny klass av kolmaterial kallad kol 60 (C 60 ) termen fullerenes gavs sedan till alla slutna kolburar. C 60 är sfäriska molekyler om 1 nm i diameter, innefattande 60 kolatomer. Fullerena har unika optiska egenskaper, värmebeständiga, superkonduktivita och speciella ferromagnetiskt beteende.
Fullerener är funktionella med en mängd olika organiska och oorganiska föreningar och har en mängd lovande tillämpningsområden, inom medicin (antioxidanter och bärare av läkemedel, neuroskyddande medel, enzym hämning, antimikrobiell aktivitet) och i elektroniska kretsar (organiska solceller, flytande kristaller, fotoström generation enheter etc.) och katalys (sensorer).
Quantum Dots (QD) och Grafen QD
Quantum Dot är ett 0-dimensionell halvledare som bara är några nanometer i storlek i nano-skala, de är så små att deras optiska och elektroniska helt har förändrats. Carbon Dot avser kolmaterial där man inte exakt kan dela upp kolmaterial klassen i metall, halvledare eller isolator på grund av deras mångsidighet. Quantum dot (QD) egenskaper styrs genom att ändra storleken då förändras ex färgen som på det ljuset som QD avger. Den här egenskapen har många tillämpningar.
Grafen Quantum Dots (GQD) får man genom att skära grafen i små bitar (diskar) med mått på några nanometer (2-20 nm). Som med Nano ribbons GNR påverkas GQD också av kanteffekter.
Förutom QD som används som displayer tack vare de fascinerande optiska egenskaperna, används QD för att förbättra diagnos och behandlingsmetoder. QD i thin film solceller och tryckt elektronik.
Kolnnanorör (CNT)
1991 upptäcktes en ny strukturell form av kol, känd som fler väggiga kol nanorör, två år senare fann man en variant med endast ett skikt av rör, Single-walled kol Tube. En väggiga Carbon nano tube (CNT) är ett ihoprullat grafenlager, en cylinder med en typisk diameter på ~ 0,4 till ~ 2 nm. En multi-walled Carbon nanotube består däremot av koncentriska cylindrar med ett mellanlager avstånd på 0,34 nm och en typisk diameter på mellan ~ 2 och ~ 25 nm.
Deras förmåga att vara exakt avledad, elektrisk ledningsförmåga och geometri gör CNTs till de mest lämpliga kandidaterna inom elektronik. Värmeledningsförmågan hos CNTs öppnar dörrarna till flera applikationer som innefattar värmeöverföring, exempelvis inom elektronik, speciellt avancerad databehandling, där upphettning är ett problem. De överlägsna egenskaperna hos CNT är inte bara begränsade till termiska och elektriska ledningar utan innefattar även mekaniska egenskaper, såsom styrka, seghet och styvhet. Dessa egenskaper banar vägen för användning i en rad applikationer inklusive avancerade kompositer som kräver höga värden för en eller flera av dessa egenskaper.
Nyligen har super starka CNT fibrer tillsammans med CNT-kompositfibrer visat flera applikationer såsom vävda tyger och textilier, transmissionsledningskablar och kropps- och fordonspansar. CNTs används också för att göra textilfärger resistenta.
CNT har i sig en enormt hög yta; faktiskt, för SWNT, är varje atom inte bara på en yta – men två ytor, nanorörens inre och yttre. Tillsammans med förmågan att fästa i princip alla kemiska arter till deras sidoväggar (funktionalisering) erbjuder en möjlighet till unika katalysatorunderlag. Deras elektriska ledningsförmåga kan också användas lämpligt i strävan efter nya katalysatorer och katalytiskt beteende.
Möjligheten att funktionalisera (kemiskt modifiera) sidoväggar av CNT ger också upphov till biomedicinska tillämpningar inklusive neurontillväxt och regenerering och vaskulära stenter. Det har också visats att en enda DNA-sträng kan bindas till en nanorör, vilken därefter effektivt kan sättas in i en cell.
CNT-baserade vatten- och luftfiltreringsanordningar kan förutom att blockera de minsta partiklarna, också kan förstöra de flesta bakterier.
Man har producerat ett keramiskt material förstärkt med kolnanorör. Det nya materialet är betydligt hårdare än traditionell keramik, leder elektricitet och kan både ge värme och funktion som termisk barriär, med hänsyn till nanorörriktningen. Då keramiska material är mycket hårda och resistenta mot värme och kemiska attacker, är de värdefulla för applikationer som beläggning av turbinblad. Men de är också mycket sköra. Med kolnanorör, ökar motståndskraften mot sprickbildning under stress hos det nya materialet är upp till fem gånger så mycket. Materialet uppvisar elektrisk ledningsförmåga sju gånger av den för tidigare keramik gjord med nanorör. Det har också fascinerande värmeegenskaper, som leder värme i en riktning, längs nanorörernas inriktning och å andra sidan reflekterar värmen vinkelrätt mot nanorörerna, vilket gör det till ett föredraget material för termiska barriärbeläggningar.
Spännande applikationer med CNT är även som nanoporösa filter, katalysatorstöd och alla typer av beläggningar. CNT har även testats med spännande resultat som ledande och / eller vattentäta papper som produceras med hjälp av CNT. CNT har också visat sig absorbera infrarött ljus och kan hålla applikationer i I / R-optikindustrin.
Nano ribbons (GNR)
Grafen nanoribbons (GNR) är smala remsor (1D kolband av kovalent (SP2 hybridiseras)) av grafen med van der Waals bindningar mellan trådarna. Remsorna har definierade kanter. Termen van der Waals gap avser den svaga bindningskraften, som möjliggör separation av atomplanet i 2D-material och atomkedjor i 1D-material. GNR visar ännu mer fascinerande kvanteegenskaper än deras 2D-motsvarigheter. De strukturella och fysiska egenskaperna hos GNR varierar dock kraftigt beroende på syntesmetod. En enda term för alla GNR kan orsaka förvirring på grund av den strukturella skillnaden mellan olika typer av GNR. Idag finns det tre huvudmetoder för tillverkning av GNR:
1) skärning från grafen med litografi, som ger enkelskiktat GNR på en substratyta. Användningen av litografiskt producerade GNR är begränsad till applikationer där GNR ligger platt på en yta. Bulkmängder kan inte produceras med litografiska metoder. Metoden ger mycket exakta och mycket smala GNR, men med okontrollerade och skrynkliga kanter och då är det svårt att kontrollera de elektroniska egenskaperna hos det resulterande materialen
2) botten-upsyntes från polycykliska molekyler med flera stegs organisksyntes. Metod gör att man kan skapa mycket smala band med atomiskt exakt kantkonfiguration. En svår metod att få fram bulk volymer men den höga precisionen och den smala storleken är det en stor potential om man lyckas effektivisera metoden.
3) unzipping av kolnanorör (CNT) är baserat på längsgående öppning, eller avlastning, av flerväggiga kolnanorör (MWCNT). Metoden har en potential för massproduktion till låg kostnad av GNR.
2D Grafen
Grafen 2 D material, kolla in en separat artikel om detta supermaterial.
3D Diamant och grafit
Diamant är vårt hårdaste material med de starka bindningarna mellan kolatomerna. Grafit har tre samordnade SP2 kolatomer arrangerade i ett galler med skiktad planstruktur, däremot hålls lagren samman av svaga van der Waals krafter. Strukturen på kolatomerna ger dem med helt olika fysikaliska egenskaper (t. ex. grafit är ogenomskinlig och metalliskt-till jordnära utseende medan diamant är transparent och lysande).