DE102011118819A1 - Constructing superconducting carbon nano-tubes at room temperature by interior doping of their cavities with rod-shaped neutral or charged electrons, mesomeric structure and dipolar molecular structure easily adjustable at their ends - Google Patents
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Abstract
Description
Bei Raumtemperatur supraleitende lineare organische Leitungsketten eröffnen in Wissenschaft und Technologie fundamental neue Perspektiven und Möglichkeiten wie:
Verlustfreie Energieübertragung, wirksamere Elektromotoren, außergewöhnlich starke Elektromagnete, sehr geringe Hitzestrahlung, Schaltelemente in Computern, d. h. kompaktere Bauweise, raschere Signalübertragung, reibungsverlustfreie Magnetbahnen (Meißner-Ochsenfeldeffekt) und weitere...At room temperature, superconducting linear organic conduction chains open up fundamentally new perspectives and possibilities in science and technology, such as:
Lossless energy transfer, more efficient electric motors, exceptionally strong electromagnets, very low heat radiation, switching elements in computers, ie more compact design, faster signal transmission, loss-free magnetic tracks (Meissner-Ochsenfeldeffekt) and more ...
Die Supraleitfähigkeit in Metallen beruht auf der Wechselwirkung der Leitungselektronen mit dem Kristallgitter. Wandert ein Elektron durch das Metall, zieht es die positiv geladenen Metallionen auf ihren festen Gitterplätzen an, so dass sie sich in seinem Sog aufeinander zubewegen. Der so entstehende Bereich positiver Überschussladung vermag ein zweites Elektron anzuziehen und dadurch indirekt mit dem ersten zu koppeln: beide Elektronen bilden ein Cooper-Paar. Als wären sie durch eine Feder verbunden, bewegen sie sich fortan stets mit der gleichen Geschwindigkeit, aber mit entgegengesetzter Richtung durch das Gitter – mit anderen Worten, sie schwingen gegeneinander. Der Grund dafür ist, dass die zusammengedrückten Gitteratome, die einen Bereich positiver Überschussladung erzeugen und so die Elektronen aufeinander zustreben lassen, wenig später von rücktreibenden Kräften auf ihre Gleichgewichtsposition zurückgedrängt werden. Dabei schießen sie allerdings über das Ziel hinaus und erzeugen so einen Bereich verminderter positiver Ladungsdichte, der die Elektronen abstößt. Da sie sich anschließend wieder aufeinander zubewegen, schwingen sie letztlich hin und her – und mit ihnen die Elektronen des Cooper-Paares.The superconductivity in metals is based on the interaction of the conduction electrons with the crystal lattice. When an electron moves through the metal, it attracts the positively charged metal ions to their solid lattice sites, moving toward each other in its wake. The resulting region of positive excess charge is able to attract a second electron and thereby indirectly couple to the first: both electrons form a Cooper pair. As if they were connected by a spring, they always move at the same speed, but in the opposite direction through the grid - in other words, they swing against each other. The reason for this is that the compressed lattice atoms, which generate a region of positive excess charge and thus cause the electrons to move toward one another, are pushed back to their equilibrium position by restoring forces a little later. However, they shoot beyond the target, creating an area of reduced positive charge density that repels the electrons. As they move toward each other, they swing back and forth - and with them the electrons of the Cooper couple.
In Analogie zur Supraleitung von Metallen, aber unter Berücksichtigung des Isotopeneffekts (es ist umso schwerer eine Schwingung zu erzeugen, je größer die Masse des schwingenden Teilchens ist), stellte
Der elektrische Widerstand bei einem makroskopischen Draht ist abhängig von dessen Querschnitt und Länge. Dies ist im Falle eines nanoskalierten Leiters nicht mehr gegeben. Der Widerstand eines solchen Nanodrahtes ist unabhängig von seiner Länge. Der Ladungstransport erfolgt über Leitungskanäle. Voraussetzung ist die absolute Defektfreiheit des betrachteten eindimensionalen Drahtes. In realen Nanodrähten kommt es u. a. zu Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Atomgerüst. Die Elektronen legen bei ihrem Weg durch die Nanoröhre große Wegstrecken ohne Wechselwirkung mit dem Kohlenstoffgerüst zurück (ballistischer Transport). CNTs können deshalb Elektrizität besser leiten als Metalle. Die Elektronen erfahren auf ihren freien Wegstrecken keinerlei Widerstand (keine W. Wirkung mit Phononen oder Gitterdefekten). Erst am Ende ihrer freien Wegstrecke treten sie in W. Wirkung mit dem Material. In metallischen CNTs beträgt die mittlere freie Weglänge ungefähr 1 μm bei niedrigem Feld und 10–100 nm bei hohem Feld.The electrical resistance of a macroscopic wire depends on its cross-section and length. This is no longer the case in the case of a nanoscale conductor. The resistance of such a nanowire is independent of its length. The charge transport takes place via cable channels. Prerequisite is the absolute freedom from defects of the considered one-dimensional wire. In real nanowires it comes u. a. on interactions of electrons with the atomic framework. The electrons travel long distances without interaction with the carbon skeleton as they travel through the nanotube (ballistic transport). CNTs can therefore conduct electricity better than metals. The electrons experience no resistance on their free paths (no effect with phonons or lattice defects). Only at the end of their free path do they step into effect with the material. In metallic CNTs, the mean free path is about 1 μm at low field and 10-100 nm at high field.
Die Struktur eines jeden erfolgversprechenden kettenförmigen org. Leiters wird von zwei Erfordernissen bestimmt:
Zum einen müssen die Kettenmoleküle, wie Little postuliert, bei maximaler π-Überkappung planar aufgebaut sein und sich störungsfrei (ohne intra- und extramolekulare sterische Behinderung, Deformierung, Torsion und abnehmende Überkappung der π-Orbitale durch Substituenten) vernetzen, so dass sich die Leitungselektronen leicht von einem Molekül zum anderen bewegen können. Zwischen den Ketten müssen Ladungsträger hüpfen, fließen oder tunneln. Zweitens darf es nicht viel Energie kosten ein Valenzband teilweise zu füllen oder zu leeren. Das von Little favorisierte nicht persistente Polyacetylen kann in einigen Punkten als eine Art niederdimensionales Homologes der CNTs angesehen werden. Es besteht aus einer Kette von alternierenden Einzel- und Doppelbindungen, so dass ein molekularer Draht mit einem vollständig konjugierten π-System vorliegt. Sehr große Annulene nähern sich der elektronischen Struktur des Polyacetylens. CNTs sind als parallel aufgereihte, zu einer Röhre aufgerollte Polyacetylenmoleküle zu betrachten. Ihr Verhalten entspricht einem quasi-eindimensionalen molekularen Draht. Jedoch zeigt sich auch, dass die elektronischen Eigenschaften eng mit denen des zweidimensionalen Graphens verbunden sind. Ihr geringer Durchmesser bedingt das Auftreten von Quanteneffekten.The structure of any promising chain-like org. Leiters is determined by two requirements:
On the one hand, the chain molecules, as Little postulated, must have a planar structure with maximum π-capping and be non-disruptive (without intramolecular and extramolecular steric hindrance, deformation, torsion and decreasing capping of the π orbitals by substituents), so that the conduction electrons can move easily from one molecule to another. Between the chains, charge carriers must bounce, flow or tunnel. Second, it does not take much energy to partially fill or empty a valence band. The non-persistent polyacetylene favored by Little can be considered in some respects as a kind of low-dimensional homologue of CNTs. It consists of a chain of alternating single and double bonds, so that a molecular wire with a fully conjugated π system is present. Very large annulenes are approaching the electronic structure of polyacetylene. CNTs are considered to be parallel strung polyacetylene molecules rolled up to a tube. Their behavior corresponds to a quasi-one-dimensional molecular wire. However, it also shows that the electronic properties are closely related to those of two-dimensional graphene. Their small diameter causes the occurrence of quantum effects.
Moleküle mit den von Little postulierten strukturellen und elektronischen Voraussetzungen sind bis heute trotz vieler verschiedener Ansätze, auch nicht partiell, erfolgreich synthetisiert worden.Molecules with the structural and electronic presuppositions postulated by Little have been successfully synthesized to this day despite many different approaches, not even partial ones.
Aufgabenstellungtask
Es sind bisher keine Verfahren bekannt, in denen in die Hohlräume, den Erfordernissen nach Länge und Durchmesser entsprechend dimensionierter, metallischer Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in höchst möglicher Konzentration zur Innendotierung fluktuierende Dipolmoleküle eingelagert, dabei die Dipolmoleküle strahlenförmig ausgerichtet, als Di-, Tri-, Tetra-, Penta-, Hexa-, Hepta-, Okta-, Nona-Pode oder in anderer geeigneter Geometrie als Polyeder eingesetzt werden, wobei die Poden mit einem leicht polarisierbaren Atom direkt die innengekrümmte Oberfläche der CNTs mit den durch die Geometrie der Podenkerne vorgegebenen Winkeln berühren. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb durch Insertion geeigneter Dipolmoleküle in die Hohlräume der CNTs, ein CNT-Dipolmolekül-System verfügbar zu machen, das bei optimaler Anordnung (Anzahl der Oberflächenkontakte, günstige Kontaktwinkel) der eingelagerten Dipolmoleküle in die entsprechend dimensionierten, elektrisch leitfähigen CNTs, als Supraleiter den Kriterien der Little'schen Theorie genügt.There are so far no known methods in which in the cavities, the requirements of length and diameter of appropriately sized, metallic carbon nanotubes (CNTs) stored in the highest possible concentration for internal doping fluctuating dipole molecules, while the dipole molecules aligned radially, as di-, tri-, Tetra-, penta-, hexa-, hepta-, octa-, nona-pode or in other suitable geometry are used as polyhedra, the pods with a readily polarizable atom directly the inside curved surface of the CNTs with those given by the geometry of the pod kernels Touch angles. The object of the present invention is therefore to make available, by inserting suitable dipole molecules into the cavities of the CNTs, a CNT-dipole molecule system which, with an optimal arrangement (number of surface contacts, favorable contact angles) of the incorporated dipole molecules, into the correspondingly dimensioned, electrically conductive CNTs. as superconductor meets the criteria of Little's theory.
Materialienmaterials
Kohlenstoffnanoröhren (CNTS)Carbon nanotubes (CNTS)
Eingesetzt werden kurze, lange oder ultralange, elektrisch einheitliche, weitgehend defektfreie oder defektfreie ein- und mehrwandige metallische CNTS mit den jeweils notwendigen Durchmessern zur Befüllung mit fluktuierenden Dipolmolekülen.Used are short, long or ultra-long, electrically uniform, substantially defect-free or defect-free single-walled and multi-walled metallic CNTS with the respective necessary diameters for filling with fluctuating dipole molecules.
Fluktuierende DipolmoleküleFluctuating dipole molecules
Damit die Dipolmoleküle auf der Innenoberfläche der CNTs nicht flach aufliegen, sondern in ausreichend günstigen Winkeln nur mit einem Atom die Innenoberfläche kontaktieren, werden die Dipole unter Erzeugung möglichst optimaler Kontaktwinkel als Strahlen (Poden) sternförmiger Molekülstrukturen in geeigneter Ausrichtung entweder als Liganden mit ihren Akzeptoren an Metallatome koordiniert oder an Molekülsternkernstrukturen chemisch gebunden, als geladene oder neutrale Moleküle sternförmig ausgerichtet an ihren Akzeptoren mit sich selbst verbrückt oder an einer in ihrer Geometrie vorgegebenen, geeigneten Molekülsternkernstruktur mit ihren Akzeptoren fixiert.To ensure that the dipole molecules do not lie flat on the inner surface of the CNTs, but contact the inner surface with only one atom at sufficiently favorable angles, the dipoles, with the optimum possible contact angles, become beams of stellate molecular structures in suitable orientation, either as ligands with their acceptors Metal atoms coordinated or chemically bonded to molecular star core structures, as a charged or neutral molecules star-shaped aligned at their acceptors with themselves bridged or fixed to a predetermined in their geometry, suitable molecular star structure with their acceptors.
Dipolmoleküle zum Aufbau sternförmiger MolekülstrukturenDipole molecules for the construction of star-shaped molecular structures
1) Liganden in Metallkomplexen1) Ligands in metal complexes
Eingesetzt werden Metallkomplexe mit literaturbekannten Zentralatomen wie Fe, Cu, Ni, Zn usw. und andere zur jeweiligen Komplexbildung geeignete Metallatome, die mit literaturbekannten Dipolliganden wie: -SCN, -NCS, -NO, -NO2, -CO, -CO2, -CN, -NC, -OCN, -NCO, -NO+ und weiteren in ihrer elektronischen Struktur geeigneten Liganden aus dem Repertoire der Komplexchemie zu trigonalen, tetraedrischen, quadratisch-planaren, trigonal-pyramidalen, quadratisch-pyramidalen, hexagonal-pyramidalen, trigonal-prismatischen und anderen Koordinationspolyedern geeigneter Geometrie zur maximal möglichen Kontaktierung der Liganden mit der Innenseite der Netzwerkstruktur der CNTs koordiniert werden.Metal complexes with central atoms known from the literature such as Fe, Cu, Ni, Zn, etc., and other metal atoms suitable for the respective complex formation, which are known from dipole ligands known in the literature such as -SCN, -NCS, -NO, -NO 2 , -CO, -CO 2 , -CN, -NC, -OCN, -NCO, -NO + and other ligands suitable in their electronic structure from the repertoire of complex chemistry to trigonal, tetrahedral, square-planar, trigonal-pyramidal, square-pyramidal, hexagonal-pyramidal, trigonal Prismatic and other coordination polyhedra of suitable geometry for the maximum possible contacting of the ligands with the inside of the network structure of the CNTs are coordinated.
2) Liganden die mit Molekülsternkernstrukturen verbrückt werden2) ligands bridged with molecular star core structures
Eingesetzt werden Liganden wie angeführt unter Metallkomplexe unter 1), die an sternförmige Molekülkerne geeigneter Geometrie (Neopentyl-, Tetraethylmethankerne oder deren Derivate usw.) chemisch gebunden und danach, je nach Struktur, zusätzlich durch Salzbildung (z. B. Addition von Methyliodid) positiv ionisiert werden können.1), which are chemically bound to star-shaped molecular nuclei of suitable geometry (neopentyl, tetraethylmethane or their derivatives, etc.) and, depending on the structure, additionally by salt formation (eg addition of methyl iodide) can be ionized.
3) Donor-Akzeptor-substituierte π-Systeme (D-π-A/Push-Pull-Systeme) 3) donor-acceptor-substituted π systems (D-π-A / push-pull systems)
Eingesetzt werden in ihrer Geometrie geeignete konjugierte Oligomere, die an ihrem einen Ende durch einen Elektronendonor, an ihrem anderen Ende durch einen Elektronenakzeptor terminiert sind und am Akzeptor an Molekülsternkernstrukturen, wie angeführt unter 2) und nachfolgend unter Molekülsternkernstrukturen, kovalent binden. Der Push-Pull-Effekt dieser Verbindungsklasse hängt von der Stärke des Donors und des Akzeptors ab, aber auch von dem konjugierten π-System, an dem eine zwitterionische Resonanzstruktur beteiligt ist: [D-π-A ↔ D+-π-A–]
Für den Energieinhalt der dipolaren Grenzstruktur ist nicht nur die Ladungstrennung, sondern auch die Veränderung des π-Systems maßgeblich. Bei einer Oligoen-Kette fällt diese Veränderung weniger ins Gewicht, als bei Wiederholungseinheiten aus aromatischen Ringsystemen, deren zwitterionische Resonanzstruktur p-chinoiden Charakter hat.Suitable conjugated oligomers are used in their geometry, which are terminated at their one end by an electron donor, at the other end by an electron acceptor and covalently bind at the acceptor to molecular star core structures, as cited under 2) and below under molecular star core structures. The push-pull effect of this class of compounds depends on the strength of the donor and the acceptor, but also on the conjugated π system, in which a zwitterionic resonance structure is involved: [D-π-A ↔ D + -π-A - ]
For the energy content of the dipolar boundary structure not only the charge separation, but also the change of the π-system is decisive. In the case of an oligoene chain, this change is less significant than in repeat units of aromatic ring systems whose zwitterionic resonance structure has a p-quinoid character.
4) Farbstoffe4) dyes
Die von W. A. Little vorgeschlagenen Farbstoffe (Diethylcyanin/iodid und strukturverwandte Verbindungen, Resonanzhybride zweier Grenzstrukturen), werden nicht als Einzelmoleküle eingesetzt, sondern wie unter 2) und 3) angeführt, an Molekülsternkernstrukturen kovalent gebunden. Die von Little vorgeschlagenen Farbstoffe erweisen sich ebenso wie die Polyenkette als nicht persistent. Die vorgeschlagenen Farbstoffe sollen deshalb nur probeweise eingesetzt werden.The dyes proposed by W.A. Little (diethyl cyanine / iodide and structurally related compounds, resonance hybrids of two borderline structures) are not used as single molecules, but covalently bonded to molecular star core structures as indicated under 2) and 3). The dyes proposed by Little prove to be non-persistent, as is the polyene chain. The proposed dyes should therefore be used only on a trial basis.
Sterische Gründe erfordern den Einsatz stabartiger Farbstoffmolekülstrukturen. Verwendbar sind beständige, zur Mesomerie befähigte π-Elektronensysteme linearer Molekülstrukturen aus dem Bestand verschiedener Farbstoffklassen, die an ihrem einen Ende über einen ausreichend starken Elektronendonor, an ihrem anderen Ende über einen ausreichend starken Elektronenakzeptor, an dem das Farbstoffmolekül an den Molekülsternkern kovalent gebunden wird, verfügen. Wenn im Rahmen der Mesomerie die beiden Endgruppen wechselseitig ineinander übergehen, erreicht die Intensität einer Mesomerie bei vollständigem Valenzausgleich ihr Maximum. Ist der Elektronenaustausch zwischen Donor und Akzeptor mit keiner grundsätzlichen Energietönung verbunden, können neutrale Farbstoffmoleküle eingesetzt werden. In den meisten Fällen ist die Ausbildung eines idealen Farbsystems nur bei Ionen möglich. Die Ionisierung erfolgt beim Verbrücken der Akzeptoren mit den Molekülsternkernen unter Salzbildung. Bei symmetrischen Molekülen fungiert das beim Verbrücken ionisierte Strukturmotiv als Akzeptor. Als Donoren oder Donorkomponenten werden Strukturmotive, mit an ihren Heteroatomen (N, S, O, P, usw.) leicht verschiebbaren Elektronen, wie Pyridin, 4-H Pyran, 4-H Thiopyran, 1,2,3-Dithiazol, den Erfordernissen entsprechend zu modifiziernde Donoren, wie aufgezeigt an den Stabmolekülen (
MolekülsternkernstrukturenMolecule stellar core structures
Eingesetzt werden Fullerene, die entlang ihrer Koordinatenachsen mindestens mit sechs Dipolmolekülen verlinkt werden. Neopentyl-, Tetraethylmethankerne oder ihre Derivate usw., quartäre Amine, tertiäre Schwefelverbindungen, Tetraphenylboratderivate, weitere Borderivate oder andere zum Aufbau von Molekülsternen in Geometrie und Struktur geeignete analoge Molekülsternkerne.Fullerenes are used, which are linked along their coordinate axes with at least six dipole molecules. Neopentyl, Tetraethylmethankerne or their derivatives, etc., quaternary amines, tertiary sulfur compounds, Tetraphenylboratderivate, other Borderivate or other suitable for the construction of molecular stars in geometry and structure analog molecular nuclei.
Aufbau des SupraleitersStructure of the superconductor
Zum Aufbau supraleitender CNTs erfolgt die Einlagerung der sternförmigen Molekülstrukturen, deren Durchmesser kompatibel mit dem Querschnitt der betrachteten Nanoröhre sind, in den inneren Hohlraum der Röhre als konzentrierte Lösung durch Diffusion mittels Kapillareffekt, wonach die Sterne zur Erreichung maximal möglicher Oberflächenkontakte ihrer Strahlenspitzen mit physikalischen Methoden wie Sonisierung und anderen dem Fachmann bekannte Verfahren verdichtet, das Lösungsmittel nach gängigen Methoden entfernt und die auf und zwischen den CNTs noch verbliebenen, anhaftenden Sterne durch behutsames Waschen mit Lösungsmitteln verschiedener Stärke sukzessive eluiert werden. Im Gegensatz zur Theorie von W. A. Little erfolgt die Positionierung der Substituenten entlang der in den CNTs aufgereihten ungesättigten Molekülketten nicht durch eine chemische Bindung in horizontaler Orientierung zu den planaren Molekülsträngen, sondern durch direkte, vertikale oder verkippte Kontaktierung der nahezu planaren Innenoberfläche der in den CNTs aufgereihten Kettenmoleküle durch ein polarisierbares Atom der eingesetzten mesomeren Dipolmoleküle (Strahlen).For the construction of superconducting CNTs, the star-shaped molecular structures, whose diameters are compatible with the cross-section of the nanotube under consideration, are incorporated into the inner cavity of the tube as a concentrated solution by capillary diffusion, whereupon the stars are used to achieve maximum possible surface contact of their beam tips using physical methods such as Sonization and other methods known in the art, the solvent removed by conventional methods and the still remaining on and between the CNTs, adhering stars are gradually eluted by gentle washing with solvents of different strengths successively. In contrast to the theory of WA Little, the positioning of the substituents along the unsaturated molecular chains aligned in the CNTs does not occur by a chemical bond in a horizontal orientation to the planar molecular strands, but by direct, vertical or tilted contacting of the nearly planar inner surface of the strung in the CNTs Chain molecules through a polarizable atom of the used mesomeric dipole molecules (rays).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- W. A. Little 1964 eine Theorie der Hochtemperatursupraleitung auf (Physical Review, Volume 134, Number 6A) [0003] WA Little, 1964, a theory of high temperature superconductivity (Physical Review, Volume 134, Number 6A) [0003]
- J. Am. Chem. Soc., Vol 118, No. 28, 1996, page 6767 [0014] J. Am. Chem. Soc., Vol 118, no. 28, 1996, page 6767 [0014]
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US7968072B2 (en) * | 2003-07-16 | 2011-06-28 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | In-situ synthesis of carbon nanotubes filled with metallic nanoparticles using arc discharge in solution |
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Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7968072B2 (en) * | 2003-07-16 | 2011-06-28 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | In-situ synthesis of carbon nanotubes filled with metallic nanoparticles using arc discharge in solution |
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