applications and properties of carbon structures

8/9/2019 Applications and properties of carbon structures

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A P P L I C A T I O N S A N D P R O P E R T I E S O F C A R B O N

S T R U C T U R E S

R O N P A N D O L F I

I N S T R U C T O R : L I N D A H I R S T

A b s t r a c t . E l e m e n t a l c a r b o n h a s m a n y a l l o t r o p e s w i t h v a r i o u s s t r u c t u r e s .

T h e s t r u c t u r e s o f g r a p h i t e , d i a m o n d , b u c k y b a l l s , a n d n a n o t u b e s a r e d e s c r i b e d

h e r e . T h e p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n s a r e a d d i t i o n a l l y d i s c u s s e d i n t h e i r r e l a -

t i o n t o t h e s t r u c t u r e o f t h e s e m o l e c u l e s . T h e b o n d s c o m p o s i n g t h e i r s t r u c t u r e s

a r e d i s c u s s e d i n r e l a t i o n t o t h e p r o p e r t i e s ( m e c h a n i c a l , e l e c t r i c a l , e t c . ) . T h e

p r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n s o f t h e s e a l l o t r o p e s v a r y w i d e l y , a s d o t h e i r s t r u c -

t u r a l d e s i g n . D i s t i n c t i o n s b e t w e e n v a r i a n t s o f t h e s e s t r u c t u r e s a r e m a d e , a n d

m e t h o d s o f c l a s s i f y i n g t h e s e v a r i a n t s a r e d i s c u s s e d . A d d i t i o n a l y t h e p r o p e r t i e s

a n d a p p l i c a t i o n s o f n a t u r a l a n d s y n t h e t i c f o r m s a r e d i s t i n c t . T h e o u t s t a n d i n g

p r o p e r t i e s o f t h e s e m o l e c u l e s m a k e t h e m u n i q u e l y s u i t e d t o m a n y a p p l i c a -

t i o n s . O n g o i n g r e s e a r c h c o n t i n u e s t o r e v e a l n e w p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s a n d

b e t t e r t u n e s c a r b o n t o c u r r e n t a p p l i c a t i o n s . D o p i n g a d d s a n o t h e r l a y e r o f m a -

n i p u l a b i l i t y t o t h e s e m o l e c u l e s , a s i t a l l o w s c o n t r o l o f m a n y p r o p e r t i e s o f t h e s e

m a t e r i a l s , a n d i s a v e r y w i d e l y r e s e a r c h e d t o p i c .

1 . I n t r o d u c t i o n

T h e m a n y v a r i a n t s o f e l e m e n t a r y c a r b o n m a k e s i t u n i q u e l y i l l u s t r a t i v e i n p h y s i c s

a n d c h e m i s t r y . T h e n a m e f o r c a r b o n i s d e r i v e d f r o m t h e L a t i n w o r d f o r c h a r c o a l

[ 1 4 ] , c a r b o , y e t c a r b o n h a s m u c h n e r a n d b e t t e r s t r u c t u r e d f o r m s . I t s s t r u c t u r e

v a r i e s f r o m i s o t r o p i c 3 D ( d i a m o n d ) t o a n i s o t r o p i c 2 D ( g r a p h i t e ) t o a n i s o t r o p i c

1 D ( a c e t y l e n e , c a r b y n e s ) [ 1 6 ] . T h e v a r i e t y o f s t r u c t u r e s t a k e n b y m o l e c u l a r c a r b o n

h a v e e x t r a o r d i n a r y p r o p e r t i e s i n m a n y r e s p e c t s . I n l o o k i n g a t t h e m a n y a l l o t r o p e s o f

c a r b o n , e a c h a d d i t i o n a l l y h a v e s i g n i c a n t a n d v a r i e d a p p l i c a t i o n s . A d d i t i o n a l l y , t h e

p r o p e r t i e s o f t h e s e a l l o t r o p e s v a r y w i d e l y a s a r e s u l t o f t h e s t r u c t u r a l c o n g u r a t i o n

o f t h e i r a t o m s . T h e f o c u s o f t h i s p a p e r , t h e c a r b o n a l l o t r o p e s g r a p h i t e , d i a m o n d ,

b u c k y b a l l , a n d n a n o t u b e , a r e e a c h a m a z i n g s u b s t a n c e s .

2 . G r a p h i t e

N a m e d f r o m t h e g r e e k w o r d g r a p h e i n , t o w r i t e [ 4 ] , b y A . G . W e r n e r ( 1 7 5 0 - 1 8 1 7 )

[ 4 ] , g r a p h i t e h a s a v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s , a n d i s b o t h m i n e d a n d m a n u f a c t u r e d [ 4 ] .

T h e r s t r e c o r d e d u s e o f g r a p h i t e w a s i n t h e y e a r 1 4 0 0 , i n t h e m a n u f a c t u r i n g o f

c r u c i b l e s [ 4 ] . T h i s i s a c o m m o n p r a c t i c e e v e n t o d a y , a s g r a p h i t e y i e l d s f a v o r a b l e

r e s u l t s d u e t o i t s l o w t h e r m a l e x p a n s i o n c o e c i e n t [ 4 ] .

1


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A P P L I C A T I O N S A N D P R O P E R T I E S O F C A R B O N S T R U C T U R E S 2

2 . 1 . S t r u c t u r e . T h e s t r u c t u r e o f g r a p h i t e i s m o s t s i m p l y d e s c r i b e d a s b o n d e d l a y -

e r s o f g r a p h e n e s h e e t s . E a c h g r a p h e n e s h e e t h a s p l a n a r h e x a g o n a l l a t t i c e s t r u c t u r e

[ 2 0 ] . T h e s t a c k i n g s t r u c t u r e f o r p e r f e c t c r y s t a l l i n e g r a p h i t e h a s t w o s t a c k i n g v a r i -

a n t s : h e x a g o n g r a p h i t e a n d r h o b o h e d r a l g r a p h i t e [ 2 0 ] . H e x a g o n a l g r a p h i t e i s t h e

m o r e t h e r m a l l y s t a b l e v a r i a n t [ 2 0 ] . T h e i n - p l a n e a n d c r o s s - p l a n e c a r b o n - c a r b o n

b o n d s i n g r a p h i t e h a v e l e n g t h s 1.42 a n d 3.35 r e s p e c t i v e l y [ 1 4 ] . T h e i n - p l a n e b o n d s

a r e s t r o n g

sp2h y b r i d o r b i t a l b o n d s (

- b o n d s [ 1 5 ] ) [ 2 0 ] . I n c o n t r a s t , t h e v a n d e r

W a a l s b o n d s (

- b o n d s [ 1 5 ] ) b e t w e e n a d j a c e n t l a y e r s a r e c o m p a r a t i v e l y w e a k [ 2 0 ] .

I n g r a p h i t e , t h e c o r r e s p o n d i n g f o u r t h , d e l o c a l i z e d , e l e c t r o n i s r e s p o n s i b l e f o r t h e

d i m i n i s h e d h a r d n e s s o f b u l k g r a p h i t e [ 1 5 ] . H o w e v e r , t h e c a r b o n - c a r b o n i n - p l a n e

b o n d s t r e n g t h i s a p p r o x i m a t e l y 4 5 2 k J / m o l , a c o m p a r a t i v e l y h i g h v a l u e ( c o m p a r e

t h i s t o d i a m o n d b e l o w ) [ 1 5 ] . G r a p h i t e i s t h e r m a l l y s t a b l e u p t o a p p r o x i m a t e l y

2 5 0 0

C , a t w h i c h p o i n t i t s s t r e n g t h b e g i n s d r o p p i n g d r a m a t i c a l l y [ 8 ] .

2 . 2 . A p p l i c a t i o n s . A c o m m o n u s e o f g r a p h i t e i s i n t h e m a n u f a c t u r e o f r e f r a c t o r y

a r t i c l e s , t y p i c a l l y f o r t h e s m e l t i n g o f i r o n a n d s t e e l [ 4 ] . T h e l o w c o e c i e n t o f t h e r m a l

e x p a n s i o n a n d t h e r m a l s t a b i l i t y m a k e s g r a p h i t e a n e x c e l l e n t m a t e r i a l f o r t h i s u s e

[ 4 ] . T h e r e i s a w e a l t h o f r e s e a r c h i n t h i s a p p l i c a t i o n , e s p e c i a l l y i n t h e s e l e c t i o n o f

i d e a l g r a p h i t e m a t e r i a l [ 4 ] .

A s a l u b r i c a n t , g r a p h i t e i s t h e m o s t r e m a r k a b l e i n t h e ' s o l i d ' c l a s s o f l u b r i c a n t s

[ 4 ] . I n t h i s a p p l i c a t i o n , i t i s u n a e c t e d b y a c i d s , g a s e s , a l k a l i e s , o r c o n s i d e r a b l e

t e m p e r a t u r e c h a n g e s [ 4 ] . I t s b u l k s o f t n e s s a l l o w s i t t o l l s u r f a c e i m p e r f e c t i o n s a s

w e l l [ 4 ] . I t r e t a i n s i t s l o w c o e c i e n t o f f r i c t i o n , w h e r e a s m a n y o i l s o r g r e a s e s w o u l d

d e t e r i o r a t e o v e r t i m e [ 4 ] . G r a p h i t e i s m o s t s p e c i a l l y s u i t e d f o r t h e l u b r i c a t i o n o f

c y l i n d e r s , a s a l l t h e s e a s p e c t s a r e c r i t i c a l f o r p e a k l u b r i c a t i o n [ 4 ] . A h i g h d e g r e e

o f p u r i t y i s r e q u i r e d f o r a g r a p h i t e m a t e r i a l t o b e s u i t a b l e f o r l u b r i c a t i o n [ 4 ] . T h i s

c o n d i t i o n r e s u l t e d i n m i x e d r e s u l t s i n e a r l y u s e s a s a l u b r i c a n t d u e t o b o t h t h e

d i c u l t y i n d e t e r m i n i n g p u r i t y a n d l a c k o f n a t u r a l l y p u r e m a t e r i a l s [ 4 ] . C o m b i n i n g

g r a p h i t e w i t h e i t h e r o f t h e s e i s t h e s u b j e c t o f m a n y p a t e n t s , i n w h i c h s p e c i a l i z e d

l u b r i c a n t s a r e d e s c r i b e d w h i c h a r e m o r e o p t i m a l t h a n s i m p l y g r a p h i t e [ 4 ] .

O t h e r n o t a b l e a p p l i c a t i o n s i n c l u d e a s a p o l i s h , i n e l e c t r o t y p i n g , a n d s t o v e / b o i l e r

c e m e n t .

3 . D i a m o n d

N e w t o n r s t p r o p o s e d t h e c o m p o s i t i o n o f d i a m o n d a s o r g a n i c b a s e d o n m e a s u r e -

m e n t s o f i t s r e f r a c t i v e i n d e x . [ 5 ]

3 . 1 . S t r u c t u r e . D i a m o n d h a s f a c e - c e n t e r e d d i a m o n d c u b i c l a t t i c e s t r u c t u r e [ 5 ] .

E a c h c a r b o n a t o m i s t e t r a h e d r a l l y c o o r d i n a t e d w i t h f o u r a d j a c e n t a t o m s b y

-

b o n d s (

sp3h y b r i d o r b i t a l ) [ 5 ] . T h e b o n d s i n d i a m o n d h a v e l e n g t h o f a p p r o x i m a t e l y

1.54 a n d s t r e n g t h o f a p p r o x i m a t e l y 3 4 7 k J / m o l [ 1 5 ] . T h e {111} c r y s t a l l i n e d i r e c - t i o n i s s u b s t a n t i a l l y s t r o n g e r t h a n o t h e r d i r e c t i o n s , d u e t o t h e a l i g n m e n t o f t h r e e

c a r b o n - c a r b o n b o n d s i n t h i s d i r e c t i o n [ 5 ] . T h e a c t i v a t i o n e n e r g y i n t h i s d i r e c t i o n

i s a p p r o x i m a t e l y 1060 k J / m o l [ 5 ] .

G r a p h i t e i s m o r e t h e r m a l l y s t a b l e t h a n d i a m o n d . A t s t a n d a r d t e m p e r a t u r e a n d

p r e s s u r e , d i a m o n d i s v i r t u a l l y s t a b l e [ 1 ] . I n i n e r t a t m o s p h e r i c c o n d i t i o n s , d i a m o n d


3/7


4/7


A n v i l s

A r t i c i a l h e a r t v a l v e s

F r e s n e l l e n s e s

L a s e r s

M a r i n e f o u l i n g ( p r e v e n t b a r n a c l e

f o r m a t i o n s )

M o t h ' s e y e c o a t i n g s

N e e d l e - l i k e a p p l i c a t i o n s

S c a l p e l s

S t r i p p e r F o i l s

X - r a y t a r g e t s

W i n d o w s ( s p a c e , m a r i n e )

4 . B u c k y b a l l s

T h e m o s t c o m m o n [ 1 1 ] a n d p o p u l a r i z e d b u c k y b a l l v a r i a n t i s b u c k m i n s t e r f u l l e r e n e ,

o r C 60 . B u c k y b a l l s w e r e r s t o b s e r v e d i n 1 9 8 5 , a t R i c e , b y s p e c t r o m e t r y a n a l y s i s

o f g a s p h a s e v a p o r i z e d g r a p h i t e [ 6 ] . T h e s t r u c t u r a l u n i q u e n e s s o f t h e 6 0 a t o m

s t r u c t u r e o f t h e c l o s e d c l u s t e r b u c k m i n s t e r f u l l e r e n e w a s s o o n a f t e r a p p a r e n t [ 6 ] . B y

1 9 9 0 , b u c k y b a l l s w e r e a b l e t o b e p r o d u c e d i n m a c r o s c o p i c b u l k [ 6 ] . F u l l e r e n e s a r e

n a t u r a l l y o c c u r e n t i n s o o t s i n s i g n i c a n t p e r c e n t a g e s [ 2 ] . T h e p r o d u c t i o n o f s o o t i s

a p r i m a r y m e t h o d f o r t h e i r p r o d u c t i o n i n i n d u s t r y [ 2 ] .

4 . 1 . S t r u c t u r e . B u c k y b a l l s a r e f o r m e d b y c o m b i n a t i o n s o f a d j a c e n t p e n t a g o n s a n d

h e x a g o n s . T h e r e a r e m a n y v a r i a n t s o f b u c k y b a l l s , a n d n o t a l l a r e s p h e r e - l i k e . B u c k -

m i n s t e r f u l l e r e n e h a s 2 0 h e x a g o n s a n d 1 2 p e n t a g o n s a r r a n g e d i n t h e s a m e w a y a s

t h e s t a n d a r d s o c c e r b a l l . T h e t h r e e c o v a l e n t b o n d s a r o u n d e a c h a t o m p r o v i d e a

t r i g o n a l - l i k e s t r u c t u r e t h a t i s h i g h l y s t a b l e .

4 . 2 . A p p l i c a t i o n s . T h e a v a i l a b l e l i t e r a t u r e o n b u c k y b a l l s w a s l i m i t e d , t h o u g h i t

w a s f o u n d t h a t B u c k y b a l l s h a v e s o m e a p p l i c a t i o n s i n b i o m e d i c i n e [ 1 1 ] . S o m e r e -

s e a r c h s u g g e s t e d t h a t b u c k y b a l l s c o u l d b e u s e d t o c o n t r o l t h e d a m a g e c a u s e d b y L o u

G e h r i g ' s d i s e a s e ( A L S ) a n d A l z h e i m e r ' s [ 1 1 ] . A d d i t i o n a l l y , b u c k b a l l s m a y b e u s e d

i n s m a l l s p o n g e s t o c a p t u r e a n d c o n t a i n h a r m f u l c h e m i c a l s w i t h i n t h e b o d y [ 1 1 ] .

H a l f - b u c k y b a l l s a r e u s e d a s c a p s f o r n a n o t u b e s i n m a n y a p p l i c a t i o n s o f f u l l e r e n e s

[ 1 1 ] .

H i g h p r o d u c t i o n c o s t s a n d s m a l l p r o d u c t i o n q u a n t i t i e s h a v e l i m i t e d t h e c o m m e r c i a l

a p p l i c a t i o n s o f f u l l e r e n e s [ 7 ] . H o w e v e r , s i n c e 2 0 0 2 b u l k p r o d u c t i o n o f f u l l e r e n e s i n

t o n s h a s b e e n r e a d y f o r m a n u f a c t u r i n g [ 7 ] .

5 . N a n o t u b e s

T h e r s t s m a l l d i a m e t e r ( < 1 0 n m ) c a r b o n l a m e n t s w e r e p r e p a r e d i n t h e 1 9 7 0 ' s

u s i n g c h e m i c a l v a p o r s y n t h e s i s [ 9 ] . I n 1 9 9 1 t h e r s t c a r b o n n a n o t u b e s w e r e o b s e r v e d

a t N E C L a b o r a t o r y u s i n g H i g h - R e s o l u t i o n E l e c t r o n M i c r o s c o p y [ 9 ] . I n 1 9 9 2 i t

w a s p r e d i c t e d t h a t c a r b o n n a n o t u b e s c o u l d b e e i t h e r s e m i c o n d u c t i n g o r m e t a l l i c

d e p e n d i n g o n t h e i r s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s ( o b s e r v e d i n 1 9 9 8 ) [ 9 ] .


5/7


5 . 1 . S t r u c t u r e . T h e s t r u c t u r e o f c a r b o n n a n o t u b e s w a s d e t e r m i n e d e a r l y o n u s i n g

T r a n s m i s s i o n E l e c t r o n M i c r o s c o p y a n d S c a n n i n g T u n n e l i n g M i c r o s c o p y t e c h n i q u e s

[ 9 ] . I t w a s r e v e a l e d t h a t c a r b o n n a n o t u b e s a r e f o r m e d a s c y l i n d r i c a l g r a p h e n e

s h e e t s [ 9 ] . T h e l a t t i c e i s e s s e n t i a l l y t h a t o f a r o l l e d g r a p h e n e s h e e t , r e s u l t i n g i n

a s i g n i c a n t a n g l e s t r a i n f r o m t h e h e x a g o n a l l a t t i c e o f g r a p h e n e [ 9 ] . T h e p r e c i s e

s t r u c t u r e o f a u n i q u e c a r b o n n a n o t u b e v a r i e s b y s i z e a n d c h i r a l i t y [ 9 ] . A c a r b o n

n a n o t u b e ' s s t r u c t u r e i s u n i q u e l y d e s c r i b e d b y i t s c h i r a l v e c t o r

Ch = na1 + ma2 ,

w h e r e n a n d m a r e i n t e g e r s c o r r e s p o n d i n g t o l e n g t h s o n a g r a p h e n e l a t t i c e [ 1 7 ] . T h e

c h i r a l v e c t o r i s r e p r e s e n t a t i v e o f t h e c o n d u c t i v i t y o f i t s m o l e c u l e , c o r r e s p o n d i n g t o

e i t h e r s e m i c o n d u c t i n g o r m e t a l l i c [ 1 7 ] . A d d i t i o n a l l y , t h e c h i r a l v e c t o r r e p r e s e n t s t h e

m o l e c u l e ' s c a t e g o r y o f c a r b o n n a n o t u b e a s e i t h e r o f ' z i g z a g ' , ' a r m c h a i r ' , o r ' c h i r a l '

d e s i g n [ 9 ] . A s i m i l a r l y u s e f u l v a l u e i s t h e c h i r a l a n g l e d e n e d b y [ 1 7 ] :

c o s

=2n+m

2n2 +m2 + nm,

w h i c h c a n a l s o b e u s e d t o c l a s s i f y c a r b o n n a n o t u b e s .

S i n g l e w a l l n a n o t u b e s h a v e r a d i i w h i c h m a y v a r y f r o m 0.7 10.0 n m , a n d t h e i r w i d t h / l e n g t h a s p e c t r a t i o c a n r e a c h u p t o

105. T h e t e n s i l e s t r e n g t h o f a n a n o t u b e

i s a p p r o x i m a t e l y 5 0 0 t i m e s t h a t o f s t r o n g s t e e l a l l o y s a n d s i g n i c a n t l y l e s s d e n s e

t h a n a l u m i n u m [ 1 1 ] . T h i s a n d o t h e r r e m a r k a b l e p r o p e r t i e s r e s u l t s i n m a n y a p p l i -

c a t i o n s f o r c a r b o n n a n o t u b e s w h i c h e x p l o i t t h e i r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s [ 1 1 ] . T h e i r

c o n d u c t i v e p r o p e r t i e s v a r y w i d e l y b y d e s i g n a n d a r e f a i r l y m a n i p u l a b l e [ 1 1 ] . T h e y

a r e h i g h l y t h e r m a l l y c o n d u c t i v e , w i t h a v a l u e n e a r l y t w i c e t h a t o f d i a m o n d ( i n t h e

a x i a l d i r e c t i o n ) [ 1 1 ] . A l t h o u g h n a n o t u b e s h a v e e x t r e m e l y h i g h t e n s i l e s t r e n g t h ,

t h e y h a v e l i t t l e t o l e r a n c e f o r c o m p r e s s i v e , t o r s i o n a l , o r b e n d i n g s t r e s s e s [ 9 ] .

5 . 2 . A p p l i c a t i o n s . T h e e a r l i e s t a p p l i c a t i o n o f c a r b o n n a n o t u b e s w a s i n r e i n f o r c e d

c o m p o s i t e s [ 1 3 ] . T h e a d d i t i o n o f c a r b o n n a n o t u b e s t o v a r i o u s m a t e r i a l s s i g n i c a n t l y

i n u e n c e s t h e e l e c t r i c a l , t h e r m a l , a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c o m p o s i t e [ 1 3 ] .

S u c h m a t e r i a l s a r e c u r r e n t l y i n p r o d u c t i o n [ 1 3 ] .

A m o s t l u c r a t i v e p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n i s a s a r e p l a c e m e n t f o r L C D s [ 1 3 ] . I n t h i s

a p p l i c a t i o n , n a n o t u b e s h a v e a n a d v a n t a g e f o r t h e i r l o w p o w e r c o n s u m p t i o n , b r i g h t -

n e s s , v i e w i n g a n g l e , a n d r e s p o n s e r a t e [ 1 3 ] . P r o t o t y p e d i s p l a y s a r e c u r r e n t l y i n

t e s t i n g [ 1 3 ] . A s i m i l a r , b u t l e s s c o m p l e x a p p l i c a t i o n i s a s s i m p l e l a m p s [ 1 3 ] . A s

a r e p l a c e m e n t f o r u o r e s c e n t l a m p s , t h e y w o u l d h a v e c o m p a r a b l e l i f e t i m e s a n d b e

m o r e e n v i r o n m e n t a l l y s a f e [ 1 3 ] .

C a r b o n n a n o t u b e s h a v e b e e n p r o p o s e d a s a m e a n s f o r h y d r o g e n s t o r a g e a n d t r a n s -

p o r t a t i o n i n f u e l c e l l s [ 1 3 ] . T h e o r y p r e d i c t s t h a t c a p i l l a r y a c t i o n w o u l d a l l o w t h e

s t o r a g e o f l i q u i d s a s g a s e s [ 1 3 ] .

S u b s t a n t i a l r e s e a r c h i n t h e a r e a o f c h e m i c a l m o d i c a t i o n s t o c a r b o n n a n o t u b e s

h a s b e e n c r i t i c a l t o t h e g r o w t h o f a p p l i c a t i o n s [ 3 ] . O x i d i z a t i o n r e a c t i o n f o r s m a l l

d i a m e t e r c a r b o n n a n o t u b e s h a s b r o a d e n e d t h e h o r i z o n o f p o s s i b i l i t i e s [ 3 ] .

D u e t o t h e i r e x t r a o r d i n a r y m e c h a n i c a l a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s , t h e r e a r e n u m e r o u s

p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s f o r c a r b o n n a n o t u b e s . I n h i g h l i g h t , t h e s e i n c l u d e [ 1 1 ] :


6/7


A c t u a t o r s / a r t i c i a l m u s c l e s

A t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e p r o b e

t i p s

B a t t e r i e s

C h e m i c a l s e n s o r s

C o l l i s i o n - p r o t e c t i o n m a t e r i a l s

C o n t r o l l e d d r u g d e l i v e r y

D a t a s t o r a g e

D i a l y s i s l t e r s

F l a t p a n e l d i s p l a y s

F l y w h e e l s

H y d r o g e n s t o r a g e

M E M S d e v i c e s

S e m i c o n d u c t o r s

N a n o e l e c t r o n i c s

N a n o g e a r s

N a n o l i t h o g r a p h y

N a n o t h e r m o m e t e r s

N a n o t w e e z e r s

R e i n f o r c e m e n t o f a r m o r

S o l a r s t o r a g e

S u p e r c a p a c i t o r s

T h e r m a l p r o t e c t i o n

W a s t e r e c y c l i n g

6 . C o n c l u s i o n s

T h e a l l o t r o p e s g r a p h i t e , d i a m o n d , a n d f u l l e r e n e s h a v e e a c h b e e n d i s c u s s e d , a n d b y

r e v i e w o f a v a i l a b l e l i t e r a t u r e h a v e s i g n i c a n t a n d w i d e l y v a r i e d a p p l i c a t i o n s . T h e

o u t s t a n d i n g p r o p e r t i e s o f t h e s e m o l e c u l e s m a k e t h e m u n i q u e l y s u i t e d t o m a n y a p p l i -

c a t i o n s . O n g o i n g r e s e a r c h c o n t i n u e s t o r e v e a l n e w p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s a n d b e t t e r

t u n e s c a r b o n t o c u r r e n t a p p l i c a t i o n s . D o p i n g a d d s a n o t h e r l a y e r o f m a n i p u l a b i l i t y

t o t h e s e m o l e c u l e s , a s i t a l l o w s c o n t r o l o f m a n y p r o p e r t i e s o f t h e s e m a t e r i a l s , a n d

i s a v e r y w i d e l y r e s e a r c h e d t o p i c .

R e f e r e n c e s

[ 1 ] V . R i c h t e r A . R e z n i k a n d R . K a l i s h . K i n e t i c s o f t h e c o n v e r s i o n o f b r o k e n d i a m o n d ( s p 3 )

b o n d s t o g r a p h i t i c ( s p 2 ) b o n d s . P h y s . R e v . B , 5 6 : 7 9 3 0 7 9 3 4 , 1 9 9 9 7 .

[ 2 ] W a n d a A n d r e o n i . T h e p h y s i c s o f f u l l e r e n e - b a s e d a n d f u l l e r e n e - r e l a t e d m a t e r i a l s . S p r i n g e r ,

2 0 0 0 .

[ 3 ] J e r e y L . B a h r a n d J a m e s M . T o u r . C o v a l e n t c h e m i s t r y o f s i n g l e - w a l l c a r b o n n a n o t u b e s .

J o u r n a l o f M a t e r i a l s C h e m i s t r y , 1 2 : 1 9 5 2 1 9 5 8 , 2 0 0 2 .

[ 4 ] M i n e s B r a n c h a n d F r i t z C i r k e l . G r a p h i t e : i t s p r o p e r t i e s , o c c u r r e n c e , r e n i n g a n d u s e s . D e p t .

o f M i n e s , M i n e s B r a n c h , 1 9 0 7 .

[ 5 ] R o b e r t F o s t e r D a v i s . D i a m o n d l m s a n d c o a t i n g s : d e v e l o p m e n t , p r o p e r t i e s , a n d a p p l i c a t i o n s .

W i l l i a m A n d r e w , 1 9 9 3 .

[ 6 ] P e t e r J . F . H a r r i s . C a r b o n N a n o t u b e s a n d R e l a t e d S t r u c t u r e s . D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y ,

U n i v e r s i t y R e a d i n g , 1 9 9 9 .

[ 7 ] J . M i c h a e l A l f o r d M i c h a e l E . K a r p u k H i d e k i M u r a y a m a , S h i g e k i T o m o n o h . F u l l e r e n e p r o -

d u c t i o n i n t o n s a n d m o r e : F r o m s c i e n c e t o i n d u s t r y . F u l l e r e n e s , N a n o t u b e s a n d C a r b o n

N a n o s t r u c t u r e s , 1 2 : 1 9 , 2 0 0 5 .

[ 8 ] D . M . K o l o t i l o . C h e m i c a l b o n d a n d p r o p e r t i e s o f g r a p h i t e m a t e r i a l s . P o w d e r M e t a l l u r g y a n d

M e t a l C e r a m i c s , 7 : 9 6 6 9 7 1 , 1 9 6 8 .

[ 9 ] P h a e d o n A v o u r i s M . S . D r e s s e l h a u s , G . D r e s s e l h a u s . C a r b o n n a n o t u b e s : s y n t h e s i s , s t r u c t u r e ,

p r o p e r t i e s , a n d a p p l i c a t i o n s . S p r i n g e r , 2 0 0 1 .

[ 1 0 ] L o u i s K . B i g e l o w M a r k A n t o n i o P r e l a s , G a l i n a P o p o v i c i . H a n d b o o k o f i n d u s t r i a l d i a m o n d s

a n d d i a m o n d l m s . C R C P r e s s , 1 9 9 8 .

[ 1 1 ] J o h n M o n g i l l o . N a n o t e c h n o l o g y 1 0 1 . G r e e n w o o d P u b l i s h i n g G r o u p , 2 0 0 7 .

[ 1 2 ] N e v e s A . J . N a z a r e , M . H . P r o p e r t i e s , G r o w t h a n d A p p l i c a t i o n s o f D i a m o n d . I n s t i t u t i o n o f

E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y , 2 0 0 1 .

[ 1 3 ] M e l i s s a P a r a d i s e a n d T a r u n G o s w a m i . C a r b o n n a n o t u b e s - p r o d u c t i o n a n d i n d u s t r i a l a p p l i -

c a t i o n s . M a t e r i a l s & D e s i g n , 2 8 ( 5 ) : 1 4 7 7 1 4 8 9 , 2 0 0 7 .


7/7


[ 1 4 ] H u g h O . P i e r s o n . H a n d b o o k o f c a r b o n , g r a p h i t e , d i a m o n d , a n d f u l l e r e n e s : p r o p e r t i e s , p r o -

c e s s i n g , a n d a p p l i c a t i o n s . W i l l i a m A n d r e w , 1 9 9 3 .

[ 1 5 ] L j u b i s a R . R a d o v i c . C h e m i s t r y a n d P h y s i c s o f C a r b o n . C R C P r e s s , 2 0 0 4 .

[ 1 6 ] S e r g e L e f r a n t R a l p h S e t t o n , P a t r i c k B e r n i e r . C a r b o n m o l e c u l e s a n d m a t e r i a l s . C R C P r e s s ,

2 0 0 2 .

[ 1 7 ] M . S . D r e s s e l h a u s R i i c h i r o S a i t o , G . D r e s s e l h a u s . P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n n a n o t u b e s .

I m p e r i a l C o l l e g e P r e s s , 1 9 9 8 .

[ 1 8 ] T o d a N . S u m i y a H . , S a t o h S . M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s y n t h e t i c t y p e i i a d i a m o n d c r y s t a l .

D i a m o n d a n d R e l a t e d M a t e r i a l s , 6 ( 1 2 ) : 1 8 4 1 1 8 4 6 , D e c e m b e r 1 9 9 7 .

[ 1 9 ] S h i z u e S a k a m o t o T o r u I n o u e T e t s u o I r i f u n e , A y a k o K u r i o a n d H i t o s h i S u m i y a . M a t e r i a l s :

U l t r a h a r d p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d f r o m g r a p h i t e . N a t u r e , 4 2 1 : 5 9 9 6 0 0 , 2 0 0 3 .

[ 2 0 ] M a s a t s u g u S u z u k i T o s h i a k i E n o k i , M o r i n o b u E n d o . G r a p h i t e i n t e r c a l a t i o n c o m p o u n d s a n d

a p p l i c a t i o n s . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s U S , i l l u s t r a t e d e d i t i o n , 2 0 0 3 .

applications and properties of carbon structures

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