Вуглецеві наноконуси – це конічні структури, що складаються переважно з вуглецю та мають принаймні один вимір порядку одного мікрометра або менше. Наноконуси мають висоту та діаметр основи того ж порядку величини; це відрізняє їх від нанодротіин з кінчиком, які набагато довші за їхній діаметр. Наноконуси виникають на поверхні природного графіту. Порожнисті вуглецеві наноконуси також можна виготовляти шляхом розкладання вуглеводнів за допомогою плазмового пальника. Електронна мікроскопія показує, що кут розкриття (при вершині) конусів не є довільним, а має переважні значення приблизно 19°, 39°, 60°, 85° та 113°. Це спостереження було пояснено моделлю стінки конуса, що складається зі згорнутих графенових листів, де геометрична вимога до безшовного з'єднання природно враховувала напівдискретний характер та абсолютні значення кута конуса. Спорідненою вуглецевою наноформою є , який зазвичай утворює агрегати розміром 80–100 нм.

Окремостоячі порожнисті конуси

Історія та синтез Вуглецеві наноконуси виробляються в промисловому процесі, у якому вуглеводні розкладають на вуглець і водень за допомогою плазмового пальника з температурою плазми вище 2000… °C. Цей метод часто називають процесом з виробництва сажі та водню (CBH), і він є відносно позбавленим викидів, тобто виробляє досить невелику кількість забруднювачів повітря. За певних добре оптимізованих та запатентованих умов твердий вуглець складається приблизно з 20 % вуглецевих наноконусів, 70 % плоских вуглецевих дисків та 10 % сажі.

Розклад вуглеводнів за допомогою плазми давно відомий і застосовується, наприклад, для виробництва фулеренів. Навіть якщо його не оптимізувати, він дає невелику кількість вуглецевих наноконусів, які безпосередньо спостерігалися за допомогою електронного мікроскопа ще в 1994 році, а їх атомна структура була теоретично змодельована того ж року.

Відкритий вуглецевий конус можна змоделювати як згорнутий графеновий лист. Для отримання безшовного згортання без деформацій з листа необхідно вирізати сектор. Цей сектор повинен мати кут n × 60°, де n = 1, …, 5. Отже, результуючий кут конуса повинен мати лише певні дискретні значення = 112,9°, 83,6°, 60,0°, 38,9°, та 19,2° для n = 1, …, 5 відповідно. Графеновий лист складається виключно з вуглецевих шестикутників, які не можуть утворити суцільну конічну вершину. Як і у фулеренах, для утворення вигнутої вершини конуса необхідно додати п'ятикутники, і їх кількість відповідно n = 1, …, 5.

Спостереження Спостереження за допомогою електронного мікроскопа підтверджують прогноз моделі щодо дискретних кутів конуса, хоча необхідно враховувати два експериментальні артефакти: заряджання зразків погано провідного вуглецю під дією електронного променя, що розмиває зображення, та те, що спостереження електронної мікроскопії при фіксованому нахилі зразка дають лише двовимірну проекцію, тоді як потрібна тривимірна форма. Першу перешкоду долають, покриваючи конуси шаром металу товщиною кілька нанометрів. Друга проблема вирішується за допомогою аналізу геометричної форми. У поєднанні зі значною статистикою щодо кількості конусів це дає напівдискретні кути вершини. Їх значення відхиляються від прогнозованих приблизно на 10% через обмежену точність вимірювання та незначну зміну товщини конуса вздовж його довжини.

Товщина стінки конуса коливається від 10 до 30 нм, але для деяких наноконусів може досягати 80 нм. Щоб з'ясувати структуру стінок конусів, електронні дифрактограми були записані при різних орієнтаціях конусів. Їхній аналіз показує, що стінки містять 10–30 % впорядкованого матеріалу, покритого аморфним вуглецем. Електронна мікроскопія високої роздільної здатності показує, що впорядкована фаза складається з майже паралельних шарів графену. Аморфну фракцію можна перетворити на добре впорядкований графіт шляхом відпалу конусів при температурах близько 2700°C.

Визначною особливістю відкритих вуглецевих наноконусів, отриманих за допомогою процесу CBH, є їхня майже ідеальна форма з прямими стінками та круглими основами. Спостерігаються також неідеальні конуси, але це винятки. Одним із таких відхилень був «подвійний» конус, який виглядав так, ніби конус почав рости від своєї вершини з певним кутом вершини (наприклад, 84°), але потім різко змінив кут вершини (наприклад, до 39°) в одній точці на своїй поверхні, що призвело до розриву спостережуваного поперечного перерізу конуса. Іншою аномалією був конус з вершиною, що простягається від точки до відрізка, як у розширеному кавовому фільтрі (плоска форма показана на зображенні).

Інші конуси Вуглецеві конуси також спостерігалися, починаючи з 1968 року або навіть раніше, на поверхні природного графіту. Їхні основи прикріплені до графіту, а їхня висота коливається від менш ніж 1 до 40 мікрометрів. Їхні стінки часто вигнуті та менш регулярні, ніж у виготовлених в лабораторіях наноконусів. Розподіл кута їх вершини також демонструє сильну особливість при 60°, але інші очікувані піки, при 20° та 40°, набагато слабші, а розподіл дещо ширший для великих кутів. Ця різниця пояснюється різною структурою стінок природних конусів. Ці стінки відносно нерегулярні та містять численні лінійні дефекти (позитивно-клиноподібні дисклінації). Це порушує кутову вимогу для безшовного конуса і, отже, розширює розподіл кутів.

Потенційні застосування

Вуглецеві наноконуси використовувалися для покриття надтонких золотих голок. Такі голки широко використовуються в скануючій зондовій мікроскопії завдяки їхній високій хімічній стабільності та електропровідності, але їхні наконечники схильні до механічного зносу через високу пластичність золота. Додавання тонкого вуглецевого ковпачка механічно стабілізує наконечник, не жертвуючи його іншими властивостями.

Примітки