miniatura|Representació esquemàtica de diferents nanomaterials de carboni: ful·lerè, nanotubs de carboni i grafè. Nanocorna de carboni de paret simple (SWNH o SWCNH) és el nom donat per Sumio Iijima i els seus col·legues el 1999 a un agregat de beina en forma de banya de làmines de grafè. Estructures molt similars havien estat observades el 1994 per Peter JF Harris, Edman Tsang, John Claridge i Malcolm Green. Des del descobriment del ful·lerè, la família de nanoestructures de carboni s'ha ampliat constantment. En aquesta família s'inclouen els nanotubs de carboni de paret simple i de paret múltiple (SWNT i MWNT), cebes i cons de carboni i, més recentment, els SWNH. Aquests SWNH amb uns 40–50 nm de longitud tubular i uns 2–3 nm de diàmetre deriven dels SWNT i acaben amb una tapa cònica de cinc pentàgons amb un angle d'obertura del con de ~20 °. A més, milers de SWNHs s'associen entre si per formar agregats estructurats "semblants a dàlies" i "semblants a brots" que tenen un diàmetre mitjà d'uns 80-100. nm. El primer consisteix en túbuls i làmines de grafè que sobresurten de la seva superfície com els pètals d'una dàlia, mentre que el segon està compost per túbuls que es desenvolupen dins de la mateixa partícula. Les seves estructures úniques amb una gran superfície i microporositat fan que els SWNH esdevinguin un material prometedor per a l'adsorció de gasos, la biosensorització, l'administració de fàrmacs, l'emmagatzematge de gas i el suport de catalitzadors per a piles de combustible. Les nanobanques de carboni de paret simple són un exemple de la família dels nanocons de carboni. miniatura|Representació esquemàtica d'una sola nanohorna de carboni.
Síntesi Els SWNH es poden sintetitzar amb alta puresa mitjançant ablació làser de CO2 i descàrrega d'arc sense un catalitzador metàl·lic. Els dos apartats següents mostren respectivament els procediments representatius dels dos mètodes de síntesi. La mida i la puresa dels SWNH es poden canviar variant paràmetres com la temperatura, la pressió, el voltatge i el corrent.
Ablació amb làser de CO2 La tècnica d'ablació amb làser de CO2 s'utilitza per produir els primers SWNH a temperatura ambient en absència d'un catalitzador metàl·lic. El generador d'ablació làser de CO2 està compost per una font làser de CO2 d'alta potència (amb una longitud d'ona de 10,6 μm, 5 kW de potència, 10 nm de diàmetre del feix, i l'amplada del pols varia des de 10 ms fins a il·luminació contínua) i una cambra de reacció de resina de plàstic unida a un sistema de bombament al buit, vàlvules de gas d'entrada i sortida i un sistema de lents de ZnSe per ajustar la intensitat del feix. S'introdueix gas Ar i es fa circular a través de la cambra interior per eliminar els productes al filtre de recollida sota una pressió de 760 Torr a temperatura ambient. Mentrestant, una vareta de grafit al mig de la cambra gira i avança contínuament al llarg del seu eix de manera que una nova superfície pugui quedar exposada al feix làser que és vertical a la vareta i així es produeixen SWNHs. miniatura|Agregat de nanohornes de carboni
Descàrrega d'arc Els SWNH també es poden preparar mitjançant una simple descàrrega d'arc pulsat entre barres de carboni pur a la pressió atmosfèrica d'aire i He i Ar amb un període d'arc de 30 s. El corrent d'arc s'estableix a 120 A i el voltatge entre els elèctrodes és de 15 V. El preescalfament de la vareta de carboni fins a 1000 °C es realitza just abans de la ignició de l'arc per millorar la qualitat dels SWNH. El sutge d'arc dipositat a la superfície de la cambra es recull i es caracteritza. Amb aquest mètode, la puresa dels SWNH obtinguts és superior al 90%. La mida mitjana de les partícules de SWNH és d'uns 50 nm, que és més petit que els preparats pel mètode làser de CO2.
Propietats Porositat Poc després del descobriment dels SWNH, els científics van fer esforços per estudiar l'estructura d'aquest nou material. L'any 2000, un examen detallat de difracció de raigs X va mostrar que la distància entre les cornes i la paret era de 0,4 nm, més gran que l'espai entre capes del grafit (0,335 nm). Per tant, els agregats de SWNH haurien de tenir tant microporositat com mesoporositat originades a partir de l'estructura específica anterior. Una caracterització exacta de la superfície dels SWNH pot ampliar les possibilitats d'aplicació a l'emmagatzematge d'energia secundària.
L'estructura dels porus dels SWNH s'ha estudiat àmpliament mitjançant experiments de simulació i adsorció. Els agregats de SWNH tenen una capacitat considerable de microporus i una mica de mesoporositat a causa de l'estructura d'apilament hexagonal dels SWNH.
El 2001, es va observar adsorció de N2 al nanoespai intern i a la superfície externa d'una sola partícula de SWNH, es va estudiar mitjançant una simulació canònica de Monte Carlo i es va comparar amb els resultats experimentals. La comparació detallada de la isoterma d'adsorció simulada amb la isoterma experimental en els nanoespais interns va proporcionar 2,9 nm de l'amplada mitjana dels porus dels nanoespais interns. L'anàlisi d'adsorció de N2 d'alta resolució va poder elucidar clarament la presència de nanoporus interns, microporus externs de la disposició triangular de tres partícules i mesoporus interpartícules a l'estructura d'assemblatge per a SWNH parcialment oxidats.
El 2002, es va descobrir que es produïen finestres a nanoescala a la paret quan els SWNH s'oxidaven en oxigen a alta temperatura. La mida i la concentració d'aquestes finestres a nanoescala es podrien controlar mitjançant la temperatura d'oxidació. A més, l'oxidació i la compressió dels SWNH podrien induir un augment pronunciat de la microporositat i la producció de mesoporus.
Tot i que el porus intrapartícula dels SWNH originals està completament tancat, l'11 i el 36% dels espais porus intrapartícula s'obren per oxidació a 573 i 623 K, respectivament. Com que el nombre i la mida de les finestres a la paret de SWNH poden variar segons la temperatura d'escalfament, es mostra la possibilitat d'un adsorbent molecular selectiu. A més, l'anàlisi d'adsorció pot proporcionar un mitjà fiable per a l'avaluació dels paràmetres de l'estructura dels porus de la microporositat intersticial i interna. L'estudi d'adsorció va mostrar que els agregats SWNH en forma de brot posseeixen microporus malgrat les nanohornes individuals tancades. Una característica distintiva d'aquests microporus és la petita amplada mitjana dels porus d'1,0 nm. El tractament tèrmic amb oxigen obre les nanohornes tancades i així augmenta l'espai de microporus disponible per a l'adsorció. L'oxidació afecta principalment els porus tancats creant finestres a les parets i no canvia l'estructura del feix ni la microporositat intersticial. El mecanisme d'obertura de la nanoporositat interna de la nanohorna de carboni de paret simple es va revelar mitjançant una oxidació acurada, que va permetre controlar la nanoporositat interna. La velocitat d'obertura també es podia controlar mitjançant la temperatura d'oxidació.
El mateix any (2002) que es va descobrir la presència de finestres a nanoescala, també es van determinar experimentalment les isotermes d'adsorció de l'hidrogen en els espais interns i intersticials dels conjunts de SWNH, cosa que va proporcionar la densitat adsorbida de l'hidrogen en els espais interns i intersticials. El fet que la densitat d'hidrogen adsorbida en els espais intersticials sigui inferior a la dels espais interns, en contra de la predicció del càlcul del potencial d'interacció, s'explica per l'efecte d'autoestabilització del mecanisme d'autobloqueig.
El 2005, Kaneko et al. van declarar que la porositat dels conjunts de SWNH canviava després del tractament amb HNO3. En aquest cas, els conjunts SWNH probablement posseeixen porus intersticials no disponibles al nucli del feix per a l'adsorció. La intercalació de HNO3 en espais intersticials tan estrets va provocar un augment del volum dels porus, que va desenvolupar la microporositat, i per tant es van preparar amb èxit conjunts de SWNH altament ultramicroporosos. A més, els conjunts ultramicroporosos de SWNH van mostrar una capacitat d'emmagatzematge molt més alta de CH4 supercrític, cosa que mostra una aplicació potencial com a medi d'emmagatzematge de gas.
L'estructura detallada dels SWNH es va analitzar més a fons amb espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X (XPS) i espectroscòpia Raman. El pic considerablement fort a causa dels carbonis d'enllaç simple es va observar a l'espectre XPS C1s de SWNH. Aquesta intensitat màxima va augmentar amb el tractament d'oxidació, coincidint amb la disminució de la relació d'intensitat Raman G/D. Es va concloure que la presència d'una quantitat considerable de carbonis d'enllaç simple era la raó de l'estructura d'assemblatge única que acompanyava una forta banda D a l'espectre Raman dels SWNH. L'estructura interna dels SWNH es va examinar mitjançant observacions de microscòpia electrònica després del tall amb feix d'ions enfocat (FIB). Es va revelar que l'interior consisteix en làmines de grafè monocapa desordenades amb una mida lateral de fins a 10 nm i una distància entre capes d'aproximadament 4–5 Å.
Propietats electròniques Les propietats electròniques estan molt influenciades per l'estructura cònica única dels SWNH. La majoria dels estudis sobre les propietats electròniques van investigar els extrems cònics que contenen cinc pentàgons a la xarxa hexagonal. Berber et al. van utilitzar càlculs teòrics per determinar l'estabilitat, la geometria òptima i les propietats electròniques dels SWNH i van trobar una transferència neta d'electrons als llocs pentagonals de les puntes dels SWNH mitjançant microscòpia de túnel de rastreig simulada (STM). La densitat local d'estats electrònics a la punta varia segons les formes dels SWNH que difereixen en les ubicacions relatives dels cinc pentàgons. Continuant això, Kolesnikov et al. van proposar una geometria hiperboloide que té un con asimptòtic a gran distància i un suavització a la punta per als SWNHs. Van investigar la influència dels defectes pentagonals en les propietats electròniques dels SWNH dins del model de teoria de camps de gauge continu. Van descobrir que només per a cinc pentàgons a la punta apareix un estat electrònic normalitzat al nivell de Fermi (un nivell hipotètic d'energia potencial per a un electró dins d'un sòlid cristal·lí) per a un hiperboloide no limitat. Les propietats electròniques dels SWNH de dàlia i els SWNH oxidats també es van estudiar mitjançant l'adsorció de gasos com ara CO2 (un donant d'electrons) i O2 (un acceptor d'electrons). L'augment de la conductivitat electrònica amb l'adsorció de CO2 indica que els dahlia-SWNH són semiconductors de tipus n. D'altra banda, la conductivitat electrònica augmenta després d'una caiguda inicial per als SWNH oxidats, cosa que implica que els SWNH es poden transformar en semiconductors de tipus p després del tractament d'oxidació. La caiguda inicial es deu a la transferència d'electrons del CO2 a l'ox-SWNH que aniquila els forats, reduint la conductivitat, mentre que l'augment posterior es deu a la transferència addicional d'electrons del CO2 després de la compensació dels portadors de forats. Com s'esperava, l'addició de CO2 provoca una disminució de la conductivitat electrònica dels SWNH.
Propietats magnètiques