Primjena ugljičnih nanocijevi. Ugljične nanocijevi, grafen itd.

I druge slične strukture koje se mogu nazvati općim pojmom karbonske okvirne strukture. Šta je?

Strukture ugljičnog okvira su velike (a ponekad i gigantske!) molekule koje se sastoje isključivo od atoma ugljika. Može se čak reći da su karbonske okvirne strukture novi alotropni oblik ugljika (pored odavno poznatih: dijamanta i grafita). glavna karakteristika ovih molekula - ovo je njihov skeletni oblik: izgledaju kao zatvoreni, prazni unutar "ljuske". Najpoznatija od karbonskih okvirnih struktura je fuleren C 60, čije je apsolutno neočekivano otkriće 1985. izazvalo bum istraživanja u ovoj oblasti (Nobelova nagrada za hemiju za 1996. dodijeljena je upravo otkrivačima fulerena Robertu Kerlu, Haroldu Kroto i Richard Smalley). Krajem 1980-ih i početkom 1990-ih, nakon što je razvijena tehnika za dobijanje fulerena u makroskopskim količinama, otkriveni su mnogi drugi, lakši i teži fulereni: počev od C 20 (najmanji mogući od fulerena) pa do C 70, C 82 , C 96 i iznad.

Međutim, raznolikost struktura karbonskih okvira tu se ne završava. 1991. godine, opet sasvim neočekivano, otkrivene su dugačke, cilindrične formacije ugljika, nazvane nanocijevi. Vizuelno, struktura takvih nanocevi se može zamisliti na sledeći način: uzmemo grafitnu ravninu, izrežemo traku od nje i „zalepimo“ je u cilindar (upozorenje: ovo savijanje grafitne ravni je samo način da se zamislite strukturu nanocijevi; u stvarnosti, nanocijevi rastu sasvim drugačije). Čini se da je jednostavnije - uzmete grafitnu ravninu i pretvorite je u cilindar! - međutim, prije eksperimentalnog otkrića nanocijevi, niko od teoretičara ih nije predvidio! Tako da su naučnici mogli samo da ih proučavaju - i da budu iznenađeni!

I bilo je mnogo iznenađenja. Prvo, raznolikost oblika: nanocijevi mogu biti velike i male, jednoslojne i višeslojne, ravne i spiralne. Drugo, unatoč prividnoj krhkosti, pa čak i delikatnosti, nanocijevi su se pokazale kao izuzetno jak materijal, kako na napetost tako i na savijanje. Štoviše, pod djelovanjem mehaničkih naprezanja koji premašuju kritične, nanocijevi se ponašaju i ekstravagantno: ne "kidaju" se ili "lome", već se jednostavno preuređuju! Nadalje, nanocijevi pokazuju spektar najneočekivanijih električnih, magnetnih, optička svojstva. Na primjer, ovisno o specifičnoj shemi savijanja grafitne ravni, nanocijevi mogu biti i provodnici i poluvodiči! Može li bilo koji drugi materijal sa tako jednostavnim hemijski sastav pohvaliti se barem nekim svojstvima koja posjeduju nanocijevi?!

Konačno, zapanjujuća je raznolikost primjena koje su već osmišljene za nanocijevi. Prva stvar koja se nameće je upotreba nanocevi kao veoma jakih mikroskopskih štapića i niti. Kao što pokazuju rezultati eksperimenata i numeričkih simulacija, Youngov modul jednoslojne nanocijevi dostiže vrijednosti reda od 1-5 TPa, što je za red veličine veće od čelika! Istina, trenutno maksimalna dužina nanocevi su desetine i stotine mikrona - što je, naravno, veoma veliko u atomskoj skali, ali premalo za svakodnevnu upotrebu. Međutim, dužina nanocijevi dobijenih u laboratoriji postepeno se povećava – sada su se naučnici već približili granici milimetra: vidi [Z. Pan et al, 1998], koji opisuje sintezu višeslojne nanocijevi dužine 2 mm. Stoga, postoji svaki razlog da se nadamo da će u bliskoj budućnosti naučnici naučiti kako uzgajati nanocijevi duge centimetre, pa čak i metri! Naravno, to će uvelike uticati na buduće tehnologije: na kraju krajeva, "kabl" debeo kao ljudska kosa, sposoban da izdrži teret od stotine kilograma, naći će bezbroj aplikacije.

Drugi primjer, kada je nanocijev dio fizičkog uređaja, je kada se "montira" na vrh skenirajućeg tunelskog mikroskopa ili mikroskopa atomske sile. Obično je takav vrh oštro naoštrena volframova igla, ali prema atomskim standardima takvo je oštrenje još uvijek prilično grubo. Nanocijev je, s druge strane, idealna igla s promjerom reda nekoliko atoma. Primjenom određenog napona moguće je pokupiti atome i cijele molekule koji se nalaze na supstratu direktno ispod igle i prenijeti ih s mjesta na mjesto.

Neobična električna svojstva nanocijevi učinit će ih jednim od glavnih materijala nanoelektronike. Već su stvoreni prototipovi tranzistora sa efektom polja na bazi jedne nanocevi: primenom napona blokiranja od nekoliko volti, naučnici su naučili da promene provodljivost jednoslojnih nanocevi za 5 redova veličine!

Druga primjena u nanoelektronici je stvaranje poluvodičkih heterostruktura, tj. metalne/poluprovodničke strukture ili spoj dva različita poluprovodnika. Sada, za proizvodnju takve heterostrukture, neće biti potrebno uzgajati dva materijala odvojeno, a zatim ih "zavariti" zajedno. Sve što je potrebno je stvoriti strukturni defekt u nanocijevi tokom njenog rasta (naime, zamijeniti jedan od ugljičnih šesterokuta pentagonom). Tada će jedan dio nanocijevi biti metalni, a drugi dio poluvodič!

Već je razvijeno nekoliko primjena nanocijevi u kompjuterskoj industriji. Na primjer, napravljeni su i testirani prototipovi tankih ravnih ekrana zasnovanih na matrici od nanocijevi. Pod dejstvom napona primenjenog na jedan kraj nanocevi, sa drugog kraja počinju da se emituju elektroni, koji padaju na fosforescentni ekran i izazivaju sjaj piksela. Rezultirajuće zrno slike će biti fantastično malo: reda veličine mikrona!

Koristeći isti atomski mikroskop, moguće je snimati i čitati informacije sa matrice koja se sastoji od atoma titana koji leže na -Al 2 O 3 supstratu. Ova ideja je i eksperimentalno realizovana: postignuta gustina snimanja informacija iznosila je 250 Gbit/cm 2 . Međutim, u oba ova primjera masovna primjena je još uvijek daleko – takve znanstveno intenzivne inovacije su preskupe. Stoga je jedan od najvažnijih zadataka ovdje razviti jeftinu metodu za implementaciju ovih ideja.

Praznine unutar nanocijevi (i karbonskih okvirnih struktura općenito) također su privukle pažnju naučnika. Zaista, šta će se dogoditi ako se atom neke supstance stavi u fuleren? Eksperimenti su pokazali da interkalacija (tj. ubacivanje) atoma razni metali mijenja električna svojstva fulerena i čak može pretvoriti izolator u supravodnik! Da li je moguće promijeniti svojstva nanocijevi na isti način? Ispostavilo se da jeste. U radu [K. Hirahara et al, 2000], naučnici su bili u mogućnosti da smjeste cijeli lanac fulerena s atomima gadolinijuma koji su već ugrađeni u njih unutar nanocijevi! Električna svojstva takve neobične strukture bila su vrlo različita od svojstava jednostavne, šuplje nanocijevi i od svojstava nanocijevi s praznim fulerenima unutra. Kako se ispostavilo, valentni elektron, koji je atom metala dao javnosti, znači mnogo! Usput, zanimljivo je primijetiti taj specijal hemijske oznake. Gore opisana struktura se piše kao [email protected] 60 @SWNT, što znači "Gd unutar C 60 unutar jednozidne nanocijevi (Single Wall NanoTube)".

Moguće je ne samo "utjerati" atome i molekule u nanocijevi jedan po jedan, već i doslovno "sipati" materiju u njih. Kao što su eksperimenti pokazali, otvorena nanocijev ima kapilarna svojstva, odnosno uvlači materiju u sebe, takoreći. Stoga se nanocijevi mogu koristiti kao mikroskopski kontejneri za hemijski ili biološki transport aktivne supstance: proteini, otrovni gasovi, komponente goriva, pa čak i rastopljeni metali. Jednom u nanocijevi, atomi ili molekuli više ne mogu izaći van: krajevi nanocijevi su sigurno "zapečaćeni", a aromatični ugljični prsten je preuzak za većinu atoma. U ovom obliku aktivni atomi ili se molekuli mogu bezbedno transportovati. Jednom na odredištu, nanocevi se otvaraju na jednom kraju (a operacije „lemljenja“ i „odlemljenja“ krajeva nanocevi su već sasvim u mogućnosti savremene tehnologije) i oslobađaju svoj sadržaj u strogo određenim dozama. Ovo nije fantazija; eksperimenti ove vrste se već izvode u mnogim laboratorijama širom svijeta. A moguće je da će se za 10-20 godina ova tehnologija koristiti za liječenje bolesti: na primjer, pacijentu se u krv ubrizgavaju unaprijed pripremljene nanocijevi s vrlo aktivnim enzimima, te se nanocijevi sklapaju na određenom mjestu u tijelo nekim mikroskopskim mehanizmima i "otvoreno" u određenom trenutku. Moderna tehnologija skoro spreman za implementaciju...

Uvod:

Nanocijevi mogu djelovati ne samo kao materijal koji se proučava, već i kao istraživački alat. Na bazi nanocijevi moguće je, na primjer, stvoriti mikroskopske skale. Uzimamo nanocijev, određujemo (spektroskopskim metodama) frekvenciju njenih prirodnih oscilacija, zatim na nju pričvršćujemo probni uzorak i određujemo frekvenciju oscilovanja nabijene nanocijevi. Ova frekvencija će biti manja od frekvencije oscilovanja slobodne nanocijevi: na kraju krajeva, masa sistema se povećala, ali je krutost ostala ista (zapamtite formulu za frekvenciju oscilovanja opterećenja na oprugu). Na primjer, u radu je utvrđeno da opterećenje smanjuje frekvenciju oscilovanja sa 3,28 MHz na 968 kHz, od čega se dobija masa tereta 22 + - 8 fg (femtogram, tj. 10-15 grama!)

ugljične nanocijevi (tubuleni) su produžene cilindrične strukture promjera od jednog do nekoliko desetina nanometara i dužine do nekoliko centimetara, koje se sastoje od jedne ili više šesterokutnih grafitnih ravnina smotanih u cijev i obično završavaju poluloptastu glavu, koja se može smatrati polovicom molekula fulerena

Struktura nanocevi:

Da bi se dobila nanocijev (n, m), grafitna ravan se mora preseći duž pravca isprekidanih linija i zakotrljati duž pravca vektora R .

Idealna nanocijev je grafitna ravnina umotana u cilindar, odnosno površina obložena pravilnim šesterokutima, na čijim vrhovima se nalaze atomi ugljika. Rezultat takve operacije ovisi o orijentacijskom kutu grafitne ravni u odnosu na osu nanocijevi. Orijentacijski ugao, zauzvrat, određuje kiralnost nanocijevi, što određuje, posebno, njene električne karakteristike.

Kiralnost nanocijevi označava se skupom simbola (m, n) koji označavaju koordinate šesterokuta, koji se, kao rezultat savijanja ravnine, mora poklapati sa šestouglom u početku.

Drugi način za označavanje kiralnosti je označavanje ugla α između smjera savijanja nanocijevi i smjera u kojem susjedni šesterokuti dijele zajedničku stranu. Međutim, u ovom slučaju za kompletan opis geometrije nanocevi, potrebno je navesti njen prečnik. Indeksi kiralnosti jednoslojne nanocevi (m, n) jedinstveno određuju njen prečnik D. Ovaj odnos ima sledeći oblik:

gdje d 0 = 0,142 nm - udaljenost između susjednih atoma ugljika u grafitnoj ravni. Odnos između indeksa kiralnosti (m, n) i ugla α je dat:

Među raznim mogućim pravcima Nanocevi se biraju za savijanje nanocevi za koje poravnanje šestougla (m, n) sa ishodištem ne zahteva izobličenje strukture. Ovi pravci odgovaraju, posebno, uglovima α = 0 (konfiguracija fotelje) i α = 30° (cik-cak konfiguracija). Ove konfiguracije odgovaraju kiralnostima (m, 0) i (2n, n), respektivno.

(vrste nanocevi)

Jednozidne nanocevi:

Eksperimentalno posmatrana struktura jednozidnih nanocevi se u mnogo čemu razlikuje od idealizovane slike prikazane iznad. Prije svega, ovo se odnosi na vrhove nanocijevi, čiji je oblik, kako slijedi iz zapažanja, daleko od idealne hemisfere.

Posebno mjesto među jednozidnim nanocijevima zauzimaju takozvane fotelje nanocijevi ili nanocijevi sa kiralnošću [10, 10]. U nanocijevi ovog tipa, dvije C–C veze koje čine svaki šestočlani prsten orijentirane su paralelno s uzdužnom osom cijevi. Nanocijevi s takvom strukturom trebale bi imati čisto metalnu strukturu.

Višezidne nanocevi:

Višeslojne nanocevi se razlikuju od jednoslojnih nanocevi u mnogo većoj raznolikosti oblika i konfiguracija. Raznolikost konstrukcija očituje se kako u uzdužnom tako iu poprečnom smjeru.

Struktura tipa „ruskih gnezdarica“ (ruske lutke) (sl. a) je skup koaksijalno ugniježđenih cilindričnih cijevi. Druga varijacija ove strukture (slika b) je skup ugniježđenih koaksijalnih prizmi. Konačno, posljednja od gore navedenih struktura (sl. c) podsjeća na svitak (scroll). Za sve strukture na sl. karakteristična vrijednost udaljenosti između susjednih slojeva grafita, blizu vrijednosti od 0,34 nm, svojstvene udaljenosti između susjednih ravnina kristalnog grafita.

Implementacija jedne ili druge strukture višezidnih nanocevi u specifičnoj eksperimentalnoj situaciji zavisi od uslova sinteze. Analiza dostupnih eksperimentalnih podataka ukazuje da najviše tipična struktura višeslojne nanocevi je struktura sa delovima tipa „ruske gnezdarice“ i „papier-mâché“ koji se naizmenično nalaze duž dužine. U ovom slučaju, "cijevi" manje veličine sukcesivno su ugniježđene u veće cijevi. Takav model potkrepljuju, na primjer, činjenice o interkalaciji kalijevog ili željeznog hlorida u "intertube" prostor i formiranju struktura tipa "perla".

Historija otvaranja:

Kao što je poznato, fuleren (C 60) je otkrila grupa Smalley, Kroto i Curl 1985. godine, za šta su ovi istraživači nagrađeni 1996. nobelova nagrada u hemiji. Što se tiče ugljeničnih nanocevi, nemoguće ih je imenovati tačan datum njihova otkrića. Iako je Iijimina opservacija strukture nanocevi sa više zidova iz 1991. opšte poznata, postoje raniji dokazi za otkriće ugljeničnih nanocevi. Tako, na primjer, 1974-1975. Endo i saradnici su objavili niz radova koji opisuju tanke cijevi prečnika manjeg od 100 Å pripremljene kondenzacijom pare, ali detaljnije proučavanje strukture nije provedeno. Grupa naučnika sa Instituta za katalizu Sibirskog ogranka Akademije nauka SSSR-a je 1977. godine, proučavajući karbonizaciju katalizatora gvožđe-hrom dehidrogenacije pod mikroskopom, registrovala formiranje „šupljih dendrita ugljenika“, dok je mehanizam predložena je formacija i opisana je struktura zidova. Godine 1992. u časopisu Nature objavljen je članak u kojem se navodi da su nanocijevi opažene 1953. Godinu dana ranije, 1952., članak sovjetskih naučnika Raduškeviča i Lukjanoviča izvještava o elektronskom mikroskopskom posmatranju vlakana prečnika oko 100 nm, dobijenih od strane termička razgradnja ugljični monoksid na željeznom katalizatoru. Ova istraživanja također nisu nastavljena.

Energija je važna industrija koja igra ogromnu ulogu U ljudskom životu. Energetsko stanje u zemlji zavisi od rada mnogih naučnika u ovoj oblasti. Danas se bave potragom Za ove svrhe, spremni su da koriste bilo šta, počevši sunčeva svetlost i vode, završavajući energijom zraka. Oprema koja je sposobna za proizvodnju energije iz okruženje, veoma cijenjen.

Opće informacije

Ugljične nanocijevi su produžene valjane grafitne ravni cilindričnog oblika. U pravilu, njihova debljina doseže nekoliko desetina nanometara, s dužinom od nekoliko centimetara. Na kraju nanocevi se formira sferna glava, koja je jedan od delova fulerena.

Postoje dvije vrste ugljičnih nanocijevi: metalne i poluvodičke. Njihova glavna razlika je provodljivost struje. Prvi tip može provoditi struju na temperaturi jednakoj 0ºS, a drugi - samo na povišenim temperaturama.

Ugljične nanocijevi: svojstva

Većina modernih područja, poput primijenjene hemije ili nanotehnologije, povezana je s nanocijevima, koje imaju strukturu karbonskog okvira. Šta je to? Ova struktura se odnosi na velike molekule povezane samo atomima ugljika. Ugljične nanocijevi, čija se svojstva zasnivaju na zatvorenoj ljusci, visoko su cijenjene. Osim toga, ove formacije imaju cilindrični oblik. Takve cijevi se mogu dobiti savijanjem grafitnog lima ili izrasti iz određenog katalizatora. Ugljične nanocijevi, čije su fotografije prikazane u nastavku, imaju neobičnu strukturu.

Dolaze u različitim oblicima i veličinama: jednoslojni i višeslojni, ravni i vijugavi. Unatoč činjenici da nanocijevi izgledaju prilično krhko, one su snažan materijal. Kao rezultat mnogih istraživanja, ustanovljeno je da imaju svojstva kao što su istezanje i savijanje. Pod dejstvom ozbiljnih mehaničkih opterećenja, elementi se ne kidaju i ne lome, odnosno mogu se prilagoditi različitim naponima.

Toksičnost

Kao rezultat višestrukih istraživanja, ustanovljeno je da ugljične nanocijevi mogu uzrokovati iste probleme kao i azbestna vlakna, odnosno nastaju razni maligni tumori, kao i rak pluća. Stepen negativan uticaj azbest zavisi od vrste i debljine njegovih vlakana. Pošto su ugljenične nanocevi male težine i veličine, one lako ulaze u ljudsko telo sa vazduhom. Dalje, ulaze u pleuru i ulaze u grudni koš, te s vremenom izazivaju razne komplikacije. Naučnici su izveli eksperiment i dodali čestice nanocijevi u hranu miševa. Proizvodi malog promjera praktički se nisu zadržavali u tijelu, već su se veći ukopavali u zidove želuca i izazivali razne bolesti.

Metode akvizicije

Do danas postoje sledećim metodama proizvodnja ugljeničnih nanocevi: lučno punjenje, ablacija, taloženje iz gasne faze.

Električno lučno pražnjenje. Dobivanje (ugljične nanocijevi su opisane u ovom članku) u plazmi električni naboj koji gori helijumom. Takav se proces može izvesti upotrebom posebne tehničke opreme za proizvodnju fulerena. Ali s ovom metodom koriste se drugi načini gorenja luka. Na primjer, smanjuje se, a koriste se i katode ogromnih debljina. Da bi se stvorila atmosfera helijuma, potrebno je povećati pritisak ovog hemijskog elementa. Ugljične nanocijevi se dobijaju raspršivanjem. Da bi se povećao njihov broj, potrebno je uvesti katalizator u grafitnu šipku. Najčešće je to mješavina različitih metalnih grupa. Nadalje, dolazi do promjene pritiska i načina prskanja. Tako se dobija katodni depozit, gde se formiraju ugljenične nanocevi. Gotovi proizvodi rastu okomito na katodu i skupljaju se u snopove. Duge su 40 µm.

Ablacija. Ovu metodu je izmislio Richard Smalley. Njegova suština je isparavanje različitih grafitnih površina u reaktoru koji radi na visoke temperature Oh. Ugljične nanocijevi nastaju kao rezultat isparavanja grafita na dnu reaktora.

Oni se hlade i sakupljaju pomoću rashladne površine. Ako je u prvom slučaju broj elemenata bio jednak 60%, onda se ovom metodom brojka povećala za 10%. Cijena metode laserske absolacije je skuplja od svih ostalih. U pravilu se jednoslojne nanocijevi dobijaju promjenom temperature reakcije.

Taloženje iz gasne faze. Metoda taloženja ugljične pare izumljena je kasnih 50-ih godina. Ali niko nije ni zamišljao da se njime mogu dobiti ugljenične nanocevi. Dakle, prvo morate pripremiti površinu s katalizatorom. Može poslužiti kao male čestice razni metali, kao što su kobalt, nikl i mnogi drugi. Nanocijevi počinju izlaziti iz sloja katalizatora. Njihova debljina direktno ovisi o veličini metala koji katalizuje. Površina se zagrijava na visoke temperature, a zatim se dovodi plin koji sadrži ugljik. Među njima su metan, acetilen, etanol itd. Amonijak služi kao dodatni tehnički gas. Ova metoda dobijanje nanocevi je najčešće. Sam proces se odvija na različite načine industrijska preduzećašto rezultira manjim trošenjem novca na proizvodnju veliki broj cijevi. Još jedna prednost ove metode je da vertikalni elementi može se dobiti iz bilo koje metalne čestice koje služe kao katalizator. Dobivanje (ugljične nanocijevi su opisane sa svih strana) postalo je moguće zahvaljujući istraživanju Suomi Iijime, koji je pod mikroskopom promatrao njihov izgled kao rezultat sinteze ugljika.

Glavni tipovi

Ugljični elementi se klasificiraju prema broju slojeva. Najjednostavniji tip su jednoslojne ugljične nanocijevi. Svaki od njih ima debljinu od oko 1 nm, a njihova dužina može biti mnogo veća. Ako uzmemo u obzir strukturu, onda proizvod izgleda kao omotani grafit sa šesterokutnom mrežom. Na njegovim vrhovima su atomi ugljika. Dakle, cijev ima oblik cilindra, koji nema šavove. Gornji dio uređaji su zatvoreni poklopcima koji se sastoje od molekula fulerena.

Sljedeći tip su višeslojne ugljične nanocijevi. Sastoje se od nekoliko slojeva grafita, koji su presavijeni u obliku cilindra. Između njih se održava razmak od 0,34 nm. Struktura ovog tipa opisano na dva načina. Prema prvom, višeslojne cijevi su nekoliko jednoslojnih cijevi ugniježđenih jedna u drugu, koja izgleda kao lutka za gniježđenje. Prema drugom, višeslojne nanocijevi su list grafita koji se nekoliko puta omota oko sebe, što izgleda kao presavijene novine.

Ugljične nanocijevi: primjena

Elementi su apsolutno novi predstavnik klase nanomaterijala.

Kao što je ranije spomenuto, imaju strukturu okvira, koja se po svojstvima razlikuje od grafita ili dijamanta. Zbog toga se koriste mnogo češće od drugih materijala.

Zbog takvih karakteristika kao što su čvrstoća, savijanje, vodljivost, koriste se u mnogim područjima:

kao aditivi polimerima;
katalizator za rasvjetne uređaje, kao i ravne displeje i cijevi u telekomunikacijskim mrežama;
kao apsorber elektromagnetnih talasa;
za pretvaranje energije;
proizvodnja anoda u razne vrste baterije;
skladištenje vodika;
proizvodnja senzora i kondenzatora;
proizvodnja kompozita i jačanje njihove strukture i svojstava.

Dugi niz godina koriste se ugljične nanocijevi, čija primjena nije ograničena na jednu određenu industriju naučno istraživanje. Takav materijal ima slabe pozicije na tržištu, jer postoje problemi sa velikom proizvodnjom. Drugi važna tačka je visoka cijena karbonskih nanocijevi, koja iznosi oko 120 dolara po gramu takve supstance.

Koriste se kao glavni element za proizvodnju mnogih kompozita, koji se koriste u proizvodnji mnogih sportskih proizvoda. Druga industrija je automobilska industrija. Funkcionalizacija ugljeničnih nanocevi u ovoj oblasti svodi se na davanje polimera provodljivim svojstvima.

Koeficijent toplotne provodljivosti nanocevi je dovoljno visok, tako da se mogu koristiti kao rashladni uređaj za raznu masivnu opremu. Od njih se izrađuju i vrhovi koji se pričvršćuju na cijevi sonde.

Najvažnija područja primjene su Računarske tehnologije. Zahvaljujući nanocevima nastaju posebno ravni displeji. Uz pomoć njih možete značajno smanjiti ukupne dimenzije samog računara, kao i povećati njegove tehničke performanse. Gotova oprema bit će nekoliko puta superiornija u odnosu na postojeće tehnologije. Na osnovu ovih studija moguće je kreirati visokonaponske kineskope.

S vremenom će se cijevi koristiti ne samo u elektronici, već iu medicinskom i energetskom polju.

Proizvodnja

Ugljične cijevi, čija je proizvodnja raspoređena između dva tipa, su neravnomjerno raspoređene.

To jest, MWNT zarađuju mnogo više od SWNT-a. Drugi tip se radi u slučaju hitne potrebe. Razne kompanije konstantno proizvode ugljične nanocijevi. Ali oni praktički nisu traženi, jer je njihov trošak previsok.

Lideri proizvodnje

Danas vodeće mjesto u proizvodnji ugljičnih nanocijevi zauzimaju azijske zemlje, koje su 3 puta veće nego u drugim zemljama Evrope i Amerike. Konkretno, Japan se bavi proizvodnjom MWNT-a. Ali druge zemlje, poput Koreje i Kine, ni na koji način nisu inferiorne u ovom pokazatelju.

Proizvodnja u Rusiji

Domaća proizvodnja ugljičnih nanocijevi znatno zaostaje za drugim zemljama. Zapravo, sve ovisi o kvaliteti istraživanja u ovoj oblasti. Ne izdvaja dovoljno finansijskih sredstava za stvaranje naučnih i tehnoloških centara u zemlji. Mnogi ljudi ne prihvataju razvoje u oblasti nanotehnologije jer ne znaju kako se ona može koristiti u industriji. Stoga je prelazak privrede na novi put prilično težak.

Stoga je predsjednik Rusije izdao ukaz, koji ukazuje na puteve razvoja raznim oblastima nanotehnologije, uključujući ugljenične elemente. U te svrhe kreiran je poseban razvojno-tehnološki program.

Kako bi se ispunile sve tačke narudžbe, stvorena je kompanija Rosnanotech. Za njegovo funkcionisanje iz državnog budžeta izdvojen je značajan iznos. Ona je ta koja bi trebala kontrolirati proces razvoja, proizvodnje i uvođenja ugljičnih nanocijevi u industrijsku sferu. Izdvojeni iznos će biti utrošen na stvaranje različitih istraživačkih instituta i laboratorija, a ujedno će ojačati i postojeća dostignuća domaćih naučnika. Takođe, ova sredstva će se koristiti za nabavku visokokvalitetne opreme za proizvodnju ugljeničnih nanocevi. Također je vrijedno voditi računa o onim uređajima koji će zaštititi zdravlje ljudi, jer dati materijal izaziva mnoge bolesti.

Kao što je ranije spomenuto, cijeli problem je prikupljanje sredstava. Većina investitora ne želi da ulaže naučni razvoj, posebno na dugo vrijeme. Svi biznismeni žele da vide profit, ali nanorazvoj može potrajati godinama. To je ono što odbija predstavnike malih i srednjih preduzeća. Osim toga, bez državnih ulaganja neće biti moguće u potpunosti pokrenuti proizvodnju nanomaterijala.

Drugi problem je nedostatak zakonskog okvira, jer ne postoji posredna veza između različitih faza poslovanja. Stoga, ugljenične nanocijevi, čija proizvodnja nije tražena u Rusiji, zahtijevaju ne samo financijska, već i mentalna ulaganja. Dok je Ruska Federacija daleko od zemalja Azije, koje su vodeće u razvoju nanotehnologije.

Do danas, razvoj u ovoj industriji se odvija na hemijskim fakultetima raznim univerzitetima u Moskvi, Tambovu, Sankt Peterburgu, Novosibirsku i Kazanju. Vodeći proizvođači ugljeničnih nanocevi su kompanija Granat i fabrika Komsomolet u Tambovu.

Pozitivne i negativne strane

Među prednostima su posebna svojstva ugljične nanocijevi. Oni su izdržljiv materijal koji se ne urušava pod utjecajem mehaničkih utjecaja. Osim toga, dobro rade za savijanje i istezanje. To je omogućeno zatvorenom strukturom okvira. Njihova primjena nije ograničena na jednu industriju. Cijevi su našle primjenu u automobilskoj industriji, elektronici, medicini i energetici.

Veliki nedostatak je negativan uticaj na ljudsko zdravlje.

Čestice nanocevi, dospevši u ljudsko telo, dovode do pojave malignih tumora i raka.

Bitna strana je finansiranje ove industrije. Mnogi ljudi ne žele da ulažu u nauku, jer je potrebno mnogo vremena da bi se ostvario profit. A bez funkcionisanja istraživačkih laboratorija razvoj nanotehnologija je nemoguć.

Zaključak

Ugljične nanocijevi igraju važnu ulogu in inovativne tehnologije. Mnogi stručnjaci predviđaju rast ove industrije u narednim godinama. Doći će do značajnog povećanja proizvodnih kapaciteta, što će dovesti do smanjenja cijene robe. Sa smanjenjem cijena, cijevi će biti vrlo tražene, te će postati nezamjenjiv materijal za mnoge uređaje i opremu.

Dakle, saznali smo koji su to proizvodi.

Fulereni i ugljične nanocijevi. Svojstva i primjena

Godine 1985 Robert Curl, Harold Kroto i Richard Smalley potpuno neočekivano otkrio fundamentalno novo jedinjenje ugljika - fuleren , jedinstvena svojstvašto je izazvalo nalet istraživanja. 1996. godine, pronalazači fulerena dobili su Nobelovu nagradu.

Osnova molekula fulerena je ugljenik- ovo jedinstveno hemijski element, koju karakteriše sposobnost kombinovanja sa većinom elemenata i formiranja molekula najrazličitijeg sastava i strukture. Od školski kurs hemije, sigurno znate da ugljenik ima dva glavna alotropska stanja- grafit i dijamant. Dakle, otkrićem fulerena, možemo reći da je ugljik dobio još jedno alotropno stanje.

Razmotrimo prvo strukture molekula grafita, dijamanta i fulerena.

Grafitima slojevita struktura (Sl.8) . Svaki od njegovih slojeva se sastoji od atoma ugljika, kovalentno vezani prijatelj sa prijateljem u pravilne šesterokute.

Rice. 8. Struktura grafita

Susjedne slojeve zajedno drže slabe van der Waalsove sile. Stoga lako klize jedna preko druge. Primjer za to je jednostavna olovka - kada grafitnom šipkom pređete preko papira, slojevi se postepeno "ljušte" jedan od drugog, ostavljajući trag na njemu.

dijamantima trodimenzionalnu tetraedarska struktura (sl.9). Svaki atom ugljika je kovalentno vezan za četiri druga. Svi atomi u kristalnoj rešetki nalaze se na istoj udaljenosti (154 nm) jedan od drugog. Svaki od njih povezan je s drugima direktnom kovalentnom vezom i formira u kristalu, bez obzira na veličinu, jednu džinovsku makromolekulu

Rice. 9. Struktura dijamanta

Zahvaljujući visokoj energiji kovalentne veze C-C, dijamant ima najveću čvrstoću i koristi se ne samo kao dragi kamen, već i kao sirovina za proizvodnju alata za rezanje i brušenje metala (možda su čitaoci čuli za dijamantsku obradu raznih metala)

Fullereninazvan po arhitekti Buckminster Fulleru, koji je dizajnirao ove strukture za upotrebu u arhitektonskoj konstrukciji (zbog čega se nazivaju i buckyballs). Fuleren ima strukturu okvira, koja veoma podsjeća na fudbalsku loptu, koja se sastoji od "zakrpa" oblika od 5 i 6 uglova. Ako zamislimo da se atomi ugljika nalaze na vrhovima ovog poliedra, onda ćemo dobiti najstabilniji C60 fuleren. (Sl. 10)

Rice. 10. Struktura fulerena C60

U molekulu C60, koji je najpoznatiji i ujedno najsimetričniji predstavnik porodice fulerena, broj šesterokuta je 20. Osim toga, svaki petougao graniči samo sa šesterokutima, a svaki šestougao ima tri zajedničke strane sa šesterokutima i tri sa peterokutima.

Struktura molekule fulerena zanimljiva je po tome što se unutar takve ugljične "kuglice" formira šupljina u koju se zbog kapilarna svojstva moguće je uvesti atome i molekule drugih supstanci, što omogućava, na primjer, njihov siguran transport.

Kako su fulereni proučavani, sintetizirani su i proučavani njihovi molekuli koji sadrže različit broj atoma ugljika - od 36 do 540. (Sl. 11)

a B C)

Rice. 11. Struktura fulerena a) 36, b) 96, c) 540

Međutim, raznolikost struktura karbonskih okvira tu se ne završava. 1991. japanski profesor Sumio Iijima otkrili dugačke karbonske cilindre, tzv nanocevi .

Nanotube - ovo je molekul od više od milion ugljikovih atoma, koji je cijev prečnika oko nanometar i dužine nekoliko desetina mikrona . U zidovima cijevi atomi ugljika nalaze se na vrhovima pravilnih šesterokuta.

Rice. 13 Struktura ugljične nanocijevi.

a) opšti oblik nanocevi

b) nanocijev pokidana na jednom kraju

Strukturu nanocijevi možemo zamisliti na sljedeći način: uzmemo grafitnu ravninu, izrežemo traku iz nje i "zalijepimo" je u cilindar (u stvari, naravno, nanocijevi rastu na potpuno drugačiji način). Čini se da bi moglo biti jednostavnije - uzmete grafitnu ravninu i pretvorite je u cilindar! - međutim, prije eksperimentalnog otkrića nanocijevi, niko od teoretičara ih nije predvidio. Tako da su naučnici mogli samo da ih proučavaju i da budu iznenađeni.

I bilo je čemu da se iznenadite - na kraju krajeva, ove neverovatne nanocevi od 100 hiljada.

puta tanji od ljudske kose pokazao se izuzetno izdržljivim materijalom. Nanocijevi su 50-100 puta jače od čelika i imaju šest puta manju gustinu! Youngov modul - razina otpornosti materijala na deformaciju - za nanocijevi je dvostruko veća nego za obična karbonska vlakna. Odnosno, cijevi nisu samo jake, već i fleksibilne, te po svom ponašanju ne podsjećaju na lomljive slamke, već na tvrde gumene cijevi. Pod djelovanjem mehaničkih naprezanja koji premašuju kritične, nanocijevi se ponašaju prilično ekstravagantno: ne "kidaju se", ne "lome", već se jednostavno preuređuju!

Trenutno je maksimalna dužina nanocijevi desetine i stotine mikrona – što je, naravno, vrlo veliko u atomskoj skali, ali premalo za svakodnevnu upotrebu. Međutim, dužina rezultirajućih nanocijevi postepeno se povećava - sada su se naučnici već približili centimetarskoj liniji. Dobijene su višeslojne nanocevi dužine 4 mm.

Nanocevi su najviše različitih oblika: jednoslojni i višeslojni, ravni i spiralni. Osim toga, oni pokazuju čitav niz najneočekivanijih električnih, magnetskih i optičkih svojstava.

Na primjer, ovisno o specifičnoj shemi preklapanja grafitne ravni ( kiralnost), nanocijevi mogu biti i provodnici i poluprovodnici elektriciteta. Elektronska svojstva nanocijevi mogu se namjerno promijeniti uvođenjem atoma drugih tvari u cijevi.

Praznine unutar fulerena i nanocijevi dugo su privlačile pažnju

naučnici. Eksperimenti su pokazali da ako se atom neke supstance uvede u fuleren (ovaj proces se zove "interkalacija", tj. "uvođenje"), onda to može promijeniti njegova električna svojstva, pa čak i pretvoriti izolator u supravodnik!

Da li je moguće promijeniti svojstva nanocijevi na isti način? Ispostavilo se da jeste. Naučnici su uspjeli smjestiti cijeli lanac fulerena s atomima gadolinijuma koji su već ugrađeni u nanocijev. Električna svojstva takve neobične strukture bila su vrlo različita od svojstava jednostavne, šuplje nanocijevi i od svojstava nanocijevi s praznim fulerenima unutra. Zanimljivo je napomenuti da su za takve spojeve razvijene posebne kemijske oznake. Gore opisana struktura se piše kao [email protected]@SWNT, što znači "Gd unutar C60 unutar Single Wall NanoTube (Single Wall NanoTube)".

Žice za makro uređaje na bazi nanocijevi mogu proći struju sa malo ili bez topline, a struja može dostići ogromnu vrijednost - 10 7 A / cm 2 . Klasični provodnik pri takvim vrijednostima bi odmah ispario.

Razvijeno je i nekoliko primjena nanocijevi u kompjuterskoj industriji. Već 2006. godine pojavit će se monitori emisije s ravnim ekranom zasnovani na matrici od nanocijevi. Pod dejstvom napona primenjenog na jedan kraj nanocevi, drugi kraj počinje da emituje elektrone koji padaju na fosforescentni ekran i izazivaju sjaj piksela. Rezultirajuće zrno slike će biti fantastično malo: reda veličine mikrona!(Ovi monitori su obrađeni u kursu za periferije.)

Drugi primjer je korištenje nanocijevi kao vrha skenirajućeg mikroskopa. Obično je takav vrh oštro naoštrena volframova igla, ali prema atomskim standardima takvo je oštrenje još uvijek prilično grubo. Nanocijev je, s druge strane, idealna igla s promjerom reda nekoliko atoma. Primjenom određenog napona moguće je pokupiti atome i cijele molekule koji se nalaze na supstratu direktno ispod igle i prenijeti ih s mjesta na mjesto.

Neobična električna svojstva nanocijevi učinit će ih jednim od glavnih materijala nanoelektronike. Na njihovoj osnovi su napravljeni prototipovi novih elemenata za računare. Ovi elementi obezbeđuju smanjenje uređaja u poređenju sa silicijumskim uređajima za nekoliko redova veličine. Sada se aktivno raspravlja o pitanju u kojem smjeru će ići razvoj elektronike nakon što su mogućnosti daljnje minijaturizacije elektronskih kola baziranih na tradicionalnim poluvodičima potpuno iscrpljene (to se može dogoditi u sljedećih 5-6 godina). A nanocevi dobijaju neosporno vodeću poziciju među perspektivnim kandidatima za mesto silicijuma.

Druga primjena nanocijevi u nanoelektronici je stvaranje poluvodičkih heterostruktura, tj. metalne/poluprovodničke strukture ili spoj dva različita poluprovodnika (nanotranzistora).

Sada, za izradu takve strukture, neće biti potrebno uzgajati dva materijala odvojeno, a zatim ih "zavariti" zajedno. Sve što je potrebno je stvoriti strukturni defekt u nanocijevi tokom njenog rasta (naime, zamijeniti jedan od ugljičnih šesterokuta petouglom) jednostavnim razbijanjem u sredini na poseban način. Tada će jedan dio nanocijevi imati metalna svojstva, a drugi dio svojstva poluprovodnika!

Vjeruje se da je pronalazač ugljičnih nanocijevi zaposlenik japanske korporacije NEC Sumio Iijima, koji je 1991. godine promatrao strukture višeslojnih nanocijevi proučavajući naslage pod elektronskim mikroskopom, koje su nastale tokom sinteze molekularnih oblika čistog ugljika koji imaju ćelijska struktura.

Klasifikacija

Glavna klasifikacija nanocijevi zasniva se na broju slojeva njihovih sastavnih dijelova.

Jednozidne nanocijevi(jednoslojne nanocijevi, SNWT) - najjednostavniji oblik nanocevi. Većina njih ima prečnik od oko 1 nm sa dužinom koja može biti hiljadama puta duža. Struktura jednozidnih nanocevi može se predstaviti kao „omatanje“ heksagonalne mreže grafita (grafena), koja se zasniva na heksagonima sa atomima ugljenika koji se nalaze na vrhovima ugla, u bešavni cilindar. Gornji krajevi cijevi zatvoreni su hemisferičnim poklopcima, od kojih je svaki sloj sastavljen od šesterokuta i peterokuta, nalik strukturi polovine molekula fulerena.

Slika 1. Grafička slika jednoslojne nanocevi

Višeslojne nanocevi(višezidne nanocevi, MWNT) sastoje se od nekoliko slojeva grafena naslaganih u obliku cevi. Udaljenost između slojeva je 0,34 nm, odnosno ista kao između slojeva u kristalnom grafitu.

Za opisivanje njihove strukture koriste se dva modela. Višeslojne nanocevi mogu biti nekoliko jednoslojnih nanocevi ugnežđenih jedna u drugu (tzv. „matrjoška“). U drugom slučaju, jedan "list" grafena omota se oko sebe nekoliko puta, što je slično pomicanju pergamenta ili novina (model "pergamenta").

Slika 2. Grafička slika višeslojne nanocijevi (model matrjoške)

Metode sinteze

Najčešće metode za sintezu nanocevi su metoda električnog luka, laserska ablacija i hemijsko taloženje pare (CVD).

lučno pražnjenje - Suština ove metode je dobijanje ugljeničnih nanocevi u plazmi lučno pražnjenje, koji gori u atmosferi helijuma, na tehnološkim instalacijama za proizvodnju fulerena. Međutim, ovdje se koriste drugi načini stvaranja luka: niske gustine struje lučnog pražnjenja, veći pritisak helijuma (~ 500 Torr), katode većeg prečnika.

Da bi se povećao prinos nanocijevi u produktima raspršivanja, u grafitnu šipku se uvodi katalizator (mješavina metala željezne grupe), mijenja se pritisak inertnog plina i način raspršivanja.

Sadržaj nanocevi u katodnom depozitu dostiže 60%. Rezultirajuće nanocijevi dužine do 40 μm rastu od katode okomito na njenu površinu i spajaju se u cilindrične snopove prečnika oko 50 km.

Laserska ablacija

Ovu metodu su izmislili Richard Smalley i Univerzitet Rajs i zasniva se na isparavanju grafitne mete u reaktoru visoke temperature. Nanocijevi se pojavljuju na ohlađenoj površini reaktora kao kondenzat isparavanja grafita. Vodom hlađena površina može biti uključena u sistem prikupljanja nanocijevi.

Prinos proizvoda u ovoj metodi je oko 70%. Uz njegovu pomoć dobivaju se pretežno jednozidne ugljične nanocijevi čiji je promjer kontroliran temperaturom reakcije. Međutim, trošak ovu metodu mnogo skuplji od ostalih.

Hemijsko taloženje pare (CVD)

Metoda katalitičkog taloženja ugljične pare otkrivena je još 1959. godine, ali do 1993. niko nije pretpostavljao da se u ovom procesu mogu dobiti nanocijevi.

U procesu ove metode priprema se podloga sa slojem katalizatora - metalnim česticama (najčešće nikla, kobalta, željeza ili njihove kombinacije). Promjer nanocijevi uzgojenih na ovaj način ovisi o veličini metalnih čestica.

Podloga se zagreva na približno 700°C. Da bi se pokrenuo rast nanocijevi, u reaktor se uvode dvije vrste plinova: procesni plin (na primjer, amonijak, dušik, vodonik, itd.) i plin koji sadrži ugljik (acitilen, etilen, etanol, metan, itd.). Nanocijevi počinju rasti na mjestima metalnih katalizatora.

Ovaj mehanizam je najčešća komercijalna metoda za proizvodnju ugljičnih nanocijevi. Među ostalim metodama za dobivanje nanocijevi, CVD je najperspektivniji u industrijskom obimu zbog najboljeg omjera u pogledu jedinične cijene. Osim toga, omogućava dobijanje vertikalno orijentisanih nanocevi na željenoj podlozi bez dodatnog sakupljanja, kao i kontrolu njihovog rasta pomoću katalizatora.

Područja upotrebe

Nastaju ugljenične nanocevi zajedno sa fulerenima i mezoporoznim ugljeničnim strukturama nova klasa ugljični nanomaterijali, ili strukture ugljičnog okvira, sa svojstvima koja se značajno razlikuju od drugih oblika ugljika kao što su grafit i dijamant. Međutim, nanocijevi su najperspektivnije među njima.

Zainteresovani ste za posao nanomaterijala? Onda bi mogao biti zainteresovan