カーボンナノコーン

カーボンナノコーンは、主に炭素から作られ、少なくとも 1 つの寸法が 1 マイクロメートル以下の円錐状の構造です。ナノコーンの高さと底部の直径は同じ桁です。これが、直径よりもはるかに長い先端が尖ったナノワイヤと区別されます。ナノコーンは天然グラファイトの表面に発生します。中空のカーボンナノコーンは、プラズマトーチで炭化水素を分解することによっても生成できます。電子顕微鏡検査により、コーンの開口角 (頂点) は任意ではなく、約 19°、39°、60°、85°、113° の好ましい値を持つことが明らかになりました。この観察結果は、巻き付けられたグラフェンシートで構成されたコーンの壁のモデルによって説明され、シームレスな接続の幾何学的要件により、半離散的な特性とコーン角度の絶対値が自然に説明されました。関連するカーボンナノフォームは単層カーボンナノホーンで、通常は 80～100 nm の大きさの凝集体を形成します。

カーボンナノコーンは、プラズマ温度が 2000 °C を超えるプラズマトーチを使用して炭化水素を炭素と水素に分解する工業プロセスで生成されます。この方法は、 Kvaernerカーボンブラック & 水素プロセス (CBH) と呼ばれることが多く、比較的「排出物なし」、つまり大気汚染物質の排出量が非常に少ないプロセスです。十分に最適化され特許を取得した特定の条件では、^[2]固体炭素出力は、約 20% のカーボンナノコーン、70% のフラットカーボンディスク、および 10% のカーボンブラックで構成されます。^[1]

プラズマを利用した炭化水素の分解は古くから知られており、例えば炭素フラーレンの製造に応用されています。最適化されていなくても、少量の炭素ナノコーンが生成されます。これは1994年に電子顕微鏡で直接観察されており、 ^[3]同年、その原子構造が理論的にモデル化されました。^{[4] [5]}

開いた炭素円錐は、包まれたグラフェンシートとしてモデル化できます。ひずみのないシームレスな包み込みを行うには、シートからセクターを切り出す必要があります。そのセクターの角度はn  × 60° で、n  = 1、...、5 である必要があります。したがって、結果として得られる円錐角は、それぞれ n = 1、...、5 に対して、特定の離散値α =  2 arcsin(1 −  n /6) = 112.9°、83.6°、60.0°、38.9°、19.2°のみになります。グラフェンシートは、炭素六角形 のみで構成されており、連続した円錐のキャップを形成できません。フラーレンと同様に、湾曲した円錐の先端を形成するには五角形を追加する必要があり、その数は n  = 1、...、5です。 ^[1]

電子顕微鏡観察により、離散的な円錐角のモデル予測が確認されたが、2 つの実験的アーティファクトを考慮する必要がある。1 つは、導電性の低い炭素サンプルが電子ビーム下で帯電し、画像がぼやけること、もう 1 つは、サンプルの傾きを固定した状態での電子顕微鏡観察では 2 次元投影しか得られず、3D 形状が必要であることである。最初の障害は、円錐を数ナノメートルの厚さの金属層でコーティングすることで克服される。2 番目の問題は、幾何学的形状分析によって解決される。円錐の数に関する重要な統計と組み合わせると、半離散的な頂角が得られる。測定精度が限られていることと、円錐の厚さが長さに沿ってわずかに変化することが原因で、その値は予測から約 10% ずれる。^[1]

コーンの壁の厚さは10～30nmですが、ナノコーンによっては80nmにもなります。コーンの壁の構造を解明するために、さまざまなコーンの方向で電子回折パターンが記録されました。分析によると、壁にはアモルファスカーボンで覆われた秩序だった物質が10～30%含まれていることがわかりました。高解像度の電子顕微鏡検査により、秩序だった相はほぼ平行なグラフェンの層で構成されていることが明らかになりました。^[6]コーンを2700℃近くの温度でアニールすると、アモルファス部分が秩序だったグラファイトに変換されます。^[1]

CBH プロセスで生成されるオープン カーボン ナノコーンの注目すべき特徴は、ほぼ理想的な形状で、壁が真っ直ぐで底面が円形であることです。理想的でないコーンも観察されますが、これは例外です。そのような例外の 1 つに「二重」コーンがあります。これは、コーンが先端から一定の頂点角 (たとえば 84°) で成長し始めたように見えますが、その後、表面の 1 点で頂点角が突然変化し (たとえば 39° に)、コーンの断面が観察される部分に切れ目が生じます。もう 1 つの例外は、コーヒー フィルターが膨張したように、頂点が点から線分に伸びたコーンです(図では平らな形状を示しています)。^[1]

カーボンコーンは、1968年あるいはそれ以前から、天然のグラファイトの表面でも観察されている^[8]。その基部はグラファイトに付着しており、高さは1マイクロメートル未満から40マイクロメートルまで変化する。その壁は湾曲していることが多く、実験室で作られたナノコーンの壁よりも不規則である。その頂点角の分布も60°で強い特徴を示しているが、20°と40°の他の予想されるピークははるかに弱く、分布は大きな角度に対してやや広くなっている。この違いは、天然コーンの壁構造が異なることに起因している。それらの壁は比較的不規則で、多数の線欠陥（正のくさび型回位）を含む。これにより、シームレスなコーンの角度要件が破れ、角度分布が広がる。^[7]

カーボンナノコーンは、極細金針のキャップとして使用されています。このような針は、高い化学的安定性と電気伝導性のため、走査型プローブ顕微鏡で広く使用されていますが、金の高い可塑性により、先端が機械的に摩耗しがちです。薄いカーボンキャップを追加すると、他の特性を犠牲にすることなく、先端を機械的に安定させることができます。^[9]

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