Aplikasi tiub nano karbon. Karbon nanotiub, graphene, dsb.

Dan struktur serupa lain yang boleh dipanggil dengan istilah umum struktur rangka karbon. Apa itu?

Struktur rangka karbon ialah molekul besar (dan kadangkala gergasi!) yang terdiri secara eksklusif daripada atom karbon. Malah boleh dikatakan bahawa struktur rangka karbon ialah bentuk alotropik karbon baharu (sebagai tambahan kepada yang telah lama diketahui: berlian dan grafit). ciri utama daripada molekul ini - ini adalah bentuk rangkanya: ia kelihatan seperti tertutup, kosong di dalam "cangkang". Struktur rangka karbon yang paling terkenal ialah fullerene C 60, penemuan yang sama sekali tidak dijangka yang pada tahun 1985 menyebabkan ledakan dalam penyelidikan dalam bidang ini (Hadiah Nobel dalam Kimia untuk tahun 1996 telah dianugerahkan tepat kepada penemu fullerene Robert Kerl, Harold Kroto dan Richard Smalley). Pada akhir 1980-an dan awal 1990-an, selepas teknik untuk mendapatkan fullerene dalam kuantiti makroskopik dibangunkan, banyak lagi, kedua-dua fullerene yang lebih ringan dan lebih berat telah ditemui: bermula dari C 20 (yang paling kecil mungkin fullerene) dan sehingga C 70 , C 82 , C 96 , dan ke atas.

Walau bagaimanapun, kepelbagaian struktur rangka kerja karbon tidak berakhir di situ. Pada tahun 1991, sekali lagi secara tidak dijangka, pembentukan karbon silinder yang panjang ditemui, dipanggil tiub nano. Secara visual, struktur tiub nano tersebut boleh dibayangkan seperti berikut: kami mengambil satah grafit, memotong jalur daripadanya dan "melekat" ke dalam silinder (satu kata berhati-hati: lipatan satah grafit ini hanyalah satu cara untuk bayangkan struktur tiub nano; sebenarnya, tiub nano tumbuh agak berbeza). Nampaknya ia lebih mudah - anda mengambil satah grafit dan mengubahnya menjadi silinder! - walau bagaimanapun, sebelum penemuan eksperimen tiub nano, tiada seorang pun ahli teori meramalkannya! Jadi saintis hanya boleh mengkajinya - dan terkejut!

Dan terdapat banyak kejutan. Pertama, pelbagai bentuk: tiub nano boleh menjadi besar dan kecil, satu lapisan dan berbilang lapisan, lurus dan lingkaran. Kedua, walaupun kelihatan kerapuhan dan juga kehalusan, tiub nano ternyata menjadi bahan yang sangat kuat, baik dalam ketegangan dan dalam lenturan. Lebih-lebih lagi, di bawah tindakan tegasan mekanikal yang melebihi yang kritikal, nanotube juga berkelakuan boros: mereka tidak "koyak" atau "pecah", tetapi hanya menyusun semula! Selanjutnya, tiub nano mempamerkan spektrum elektrik, magnetik, yang paling tidak dijangka. sifat optik. Sebagai contoh, bergantung pada skema lipatan khusus satah grafit, tiub nano boleh menjadi kedua-dua konduktor dan semikonduktor! Boleh apa-apa bahan lain dengan begitu mudah komposisi kimia bermegah sekurang-kurangnya beberapa sifat yang dimiliki tiub nano?!

Akhirnya, kepelbagaian aplikasi yang telah direka untuk tiub nano sangat menarik. Perkara pertama yang mencadangkan dirinya ialah penggunaan tiub nano sebagai rod dan benang mikroskopik yang sangat kuat. Seperti yang ditunjukkan oleh hasil eksperimen dan simulasi berangka, modulus Young bagi tiub nano satu lapisan mencapai nilai tertib 1-5 TPa, yang merupakan susunan magnitud yang lebih besar daripada keluli! Benar, pada masa ini panjang maksimum tiub nano adalah puluhan dan ratusan mikron - yang, sudah tentu, sangat besar pada skala atom, tetapi terlalu kecil untuk kegunaan harian. Walau bagaimanapun, panjang tiub nano yang diperoleh di makmal semakin meningkat secara beransur-ansur - kini saintis telah menghampiri had milimeter: lihat [Z. Pan et al, 1998], yang menerangkan sintesis nanotube berbilang lapisan sepanjang 2 mm. Oleh itu, ada sebab untuk berharap bahawa dalam masa terdekat, saintis akan belajar bagaimana untuk mengembangkan tiub nano yang panjangnya sentimeter dan bahkan meter! Sudah tentu, ini akan memberi kesan besar kepada teknologi masa depan: selepas semua, "kabel" setebal rambut manusia, yang mampu menampung beban ratusan kilogram, akan menemui tak terkira aplikasi.

Contoh lain, apabila tiub nano ialah sebahagian daripada peranti fizikal, ialah apabila ia "dilekapkan" pada hujung terowong pengimbasan atau mikroskop daya atom. Biasanya titik sedemikian adalah jarum tungsten yang diasah tajam, tetapi mengikut piawaian atom, penajaman sedemikian masih agak kasar. Nanotube, sebaliknya, adalah jarum yang ideal dengan diameter susunan beberapa atom. Dengan menggunakan voltan tertentu, adalah mungkin untuk mengambil atom dan keseluruhan molekul yang terletak pada substrat terus di bawah jarum, dan memindahkannya dari satu tempat ke tempat.

Sifat elektrik luar biasa tiub nano akan menjadikannya salah satu bahan utama nanoelektronik. Prototaip transistor kesan medan berdasarkan tiub nano tunggal telah pun dibuat: dengan menggunakan voltan penyekat beberapa volt, saintis telah belajar untuk menukar kekonduksian tiub nano satu lapisan sebanyak 5 susunan magnitud!

Aplikasi lain dalam nanoelektronik ialah penciptaan heterostruktur semikonduktor, i.e. struktur logam/separa konduktor atau simpang dua semikonduktor yang berbeza. Sekarang, untuk pembuatan heterostruktur sedemikian, tidak perlu menanam dua bahan secara berasingan dan kemudian "mengimpal" mereka bersama. Apa yang diperlukan ialah mencipta kecacatan struktur dalam tiub nano semasa pertumbuhannya (iaitu, untuk menggantikan salah satu heksagon karbon dengan pentagon). Kemudian satu bahagian tiub nano akan menjadi logam, dan bahagian lain akan menjadi semikonduktor!

Beberapa aplikasi tiub nano dalam industri komputer telah pun dibangunkan. Sebagai contoh, prototaip paparan rata nipis berdasarkan matriks tiub nano telah dibuat dan diuji. Di bawah tindakan voltan yang digunakan pada satu hujung nanotube, elektron mula dipancarkan dari hujung yang lain, yang jatuh pada skrin pendarfluor dan menyebabkan piksel bersinar. Butiran imej yang terhasil akan menjadi sangat kecil: mengikut susunan mikron!

Menggunakan mikroskop atom yang sama, adalah mungkin untuk merekod dan membaca maklumat daripada matriks yang terdiri daripada atom titanium yang terletak pada substrat -Al 2 O 3. Idea ini juga telah direalisasikan secara eksperimen: ketumpatan rakaman maklumat yang dicapai ialah 250 Gbit/cm 2 . Walau bagaimanapun, dalam kedua-dua contoh ini, aplikasi besar-besaran masih jauh - inovasi berintensif sains sedemikian terlalu mahal. Oleh itu, salah satu tugas yang paling penting di sini adalah untuk membangunkan kaedah murah untuk melaksanakan idea-idea ini.

Lompang di dalam tiub nano (dan struktur rangka kerja karbon secara umum) juga telah menarik perhatian saintis. Sesungguhnya, apakah yang akan berlaku jika atom daripada beberapa bahan diletakkan di dalam fullerene? Eksperimen telah menunjukkan bahawa interkalasi (iaitu, sisipan) atom pelbagai logam mengubah sifat elektrik fullerene dan juga boleh menukar penebat menjadi superkonduktor! Adakah mungkin untuk menukar sifat tiub nano dengan cara yang sama? Ternyata ya. Dalam kerja [K. Hirahara et al, 2000], saintis dapat meletakkan seluruh rantai fullerene dengan atom gadolinium yang telah tertanam di dalamnya di dalam tiub nano! Sifat elektrik bagi struktur luar biasa itu sangat berbeza daripada kedua-dua sifat tiub nano yang ringkas dan berongga dan sifat tiub nano dengan fullerene kosong di dalamnya. Ternyata, elektron valens, yang diberikan oleh atom logam kepada orang ramai, sangat bermakna! By the way, ia adalah menarik untuk diperhatikan bahawa istimewa sebutan kimia. Struktur yang diterangkan di atas ditulis sebagai [e-mel dilindungi] 60 @SWNT, yang bermaksud "Gd di dalam C 60 di dalam tiub nano dinding tunggal (Tiub Nano Dinding Tunggal)".

Ia mungkin bukan sahaja untuk "memacu" atom dan molekul ke dalam tiub nano satu demi satu, tetapi juga secara literal "menuangkan" bahan ke dalamnya. Seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen, tiub nano terbuka mempunyai sifat kapilari, iaitu, ia menarik jirim ke dalam dirinya, seolah-olah. Oleh itu, tiub nano boleh digunakan sebagai bekas mikroskopik untuk pengangkutan secara kimia atau biologi bahan aktif: protein, gas beracun, komponen bahan api dan juga logam cair. Apabila berada di dalam tiub nano, atom atau molekul tidak lagi boleh keluar: hujung tiub nano "dimeterai" dengan selamat, dan cincin karbon aromatik terlalu sempit untuk kebanyakan atom. Dalam bentuk ini atom aktif atau molekul boleh diangkut dengan selamat. Sebaik sahaja di destinasi, tiub nano dibuka pada satu hujung (dan operasi "pematerian" dan "tidak dipateri" hujung tiub nano sudah cukup dalam kuasa teknologi moden) dan mengeluarkan kandungannya dalam dos yang ditetapkan dengan ketat. Ini bukan fantasi; eksperimen seperti ini telah pun dijalankan di banyak makmal di seluruh dunia. Dan ada kemungkinan bahawa dalam 10-20 tahun, teknologi ini akan digunakan untuk merawat penyakit: sebagai contoh, pesakit disuntik ke dalam darah dengan nanotube yang telah disediakan terlebih dahulu dengan enzim yang sangat aktif, nanotube ini dipasang di tempat tertentu di badan oleh beberapa mekanisme mikroskopik dan "dibuka" pada masa tertentu. Teknologi moden hampir siap untuk dilaksanakan...

pengenalan:

Nanotubes boleh bertindak bukan sahaja sebagai bahan yang dikaji, tetapi juga sebagai alat penyelidikan. Berdasarkan nanotube, adalah mungkin, sebagai contoh, untuk membuat skala mikroskopik. Kami mengambil tiub nano, tentukan (dengan kaedah spektroskopi) kekerapan ayunan semula jadinya, kemudian pasangkan sampel ujian padanya dan tentukan kekerapan ayunan tiub nano yang dimuatkan. Kekerapan ini akan menjadi kurang daripada kekerapan ayunan tiub nano bebas: lagipun, jisim sistem telah meningkat, tetapi ketegarannya tetap sama (ingat formula untuk kekerapan ayunan beban pada spring). Sebagai contoh, dalam kerja itu didapati bahawa beban mengurangkan kekerapan ayunan dari 3.28 MHz kepada 968 kHz, dari mana jisim beban diperolehi 22 + - 8 fg (femtogram, iaitu 10-15 gram!)

tiub nano karbon (tubulina) ialah struktur silinder lanjutan dengan diameter satu hingga beberapa puluh nanometer dan panjang sehingga beberapa sentimeter, yang terdiri daripada satu atau lebih satah grafit heksagon yang digulung ke dalam tiub dan biasanya berakhir dengan kepala hemisfera, yang boleh dianggap sebagai separuh. molekul fullerene

Struktur tiub nano:

Untuk mendapatkan tiub nano (n, m), satah grafit mesti dipotong mengikut arah garis putus-putus dan digulung mengikut arah vektor. R .

Nanotube yang ideal ialah satah grafit yang digulung ke dalam silinder, iaitu permukaan yang dilapisi dengan heksagon biasa, di bahagian atasnya terletak atom karbon. Hasil daripada operasi sedemikian bergantung pada sudut orientasi satah grafit berkenaan dengan paksi tiub nano. Sudut orientasi, seterusnya, menentukan kiraliti nanotube, yang menentukan, khususnya, ciri elektriknya.

Kiraliti tiub nano dilambangkan dengan satu set simbol (m, n) yang menunjukkan koordinat heksagon, yang, sebagai hasil lipatan satah, mesti bertepatan dengan heksagon pada asalan.

Satu lagi cara untuk menentukan kiraliti adalah dengan menunjukkan sudut α antara arah lipatan tiub nano dan arah di mana heksagon bersebelahan berkongsi sisi yang sama. Walau bagaimanapun, dalam kes ini untuk penerangan lengkap geometri tiub nano, adalah perlu untuk menentukan diameternya. Indeks kiraliti tiub nano satu lapisan (m, n) secara unik menentukan diameternya D. Hubungan ini mempunyai bentuk berikut:

di mana d 0 = 0.142 nm - jarak antara atom karbon bersebelahan dalam satah grafit. Hubungan antara indeks kiraliti (m, n) dan sudut α diberikan oleh:

Antara pelbagai arah yang mungkin Nanotiub dipilih untuk lipatan tiub nano yang penjajaran heksagon (m, n) dengan asalan tidak memerlukan herotan strukturnya. Arah ini sepadan, khususnya, dengan sudut α = 0 (konfigurasi kerusi berlengan) dan α = 30° (konfigurasi zigzag). Konfigurasi ini sepadan dengan kiraliti (m, 0) dan (2n, n), masing-masing.

(jenis tiub nano)

Nanotube dinding tunggal:

Struktur nanotube berdinding tunggal yang diperhatikan secara eksperimen berbeza dalam banyak aspek daripada gambar ideal yang dibentangkan di atas. Pertama sekali, ini menyangkut bucu nanotube, yang bentuknya, seperti berikut dari pemerhatian, jauh dari hemisfera yang ideal.

Tempat istimewa di kalangan tiub nano berdinding tunggal diduduki oleh tiub nano kerusi berlengan yang dipanggil atau tiub nano dengan kiral [10, 10]. Dalam tiub nano jenis ini, dua daripada ikatan C–C yang membentuk setiap cincin enam anggota berorientasikan selari dengan paksi membujur tiub. Nanotiub dengan struktur sedemikian harus mempunyai struktur logam semata-mata.

Nanotube bertembok berbilang:

Nanotube berbilang dinding berbeza daripada nanotube berdinding tunggal dalam pelbagai bentuk dan konfigurasi yang lebih luas. Kepelbagaian struktur ditunjukkan dalam arah membujur dan melintang.

Struktur jenis "anak patung bersarang Rusia" (anak patung Rusia) (Rajah a) ialah satu set tiub silinder bersarang sepaksi. Satu lagi variasi struktur ini (Rajah b) ialah satu set prisma sepaksi bersarang. Akhirnya, struktur terakhir di atas (Gamb. c) menyerupai skrol (skrol). Untuk semua struktur dalam Rajah. nilai ciri jarak antara lapisan grafit bersebelahan, dekat dengan nilai 0.34 nm, wujud dalam jarak antara satah bersebelahan grafit hablur.

Pelaksanaan satu atau satu lagi struktur tiub nano bertembok berbilang dalam situasi eksperimen tertentu bergantung pada keadaan sintesis. Analisis data eksperimen yang ada menunjukkan bahawa yang paling banyak struktur tipikal nanotiub berbilang dinding ialah struktur dengan bahagian jenis "anak patung bersarang Rusia" dan "papier-mâché" berselang-seli di sepanjang panjangnya. Dalam kes ini, "tiub" dengan saiz yang lebih kecil berturut-turut bersarang di dalam tiub yang lebih besar. Model sedemikian disokong, sebagai contoh, oleh fakta mengenai interkalasi kalium atau ferik klorida ke dalam ruang "intertube" dan pembentukan struktur jenis "manik".

Sejarah pembukaan:

Seperti yang diketahui, fullerene (C 60) telah ditemui oleh kumpulan Smalley, Kroto, dan Curl pada tahun 1985, yang mana penyelidik ini telah dianugerahkan pada tahun 1996. hadiah Nobel dalam kimia. Bagi tiub nano karbon, adalah mustahil untuk menamakan di sini tarikh yang tepat penemuan mereka. Walaupun pemerhatian Iijima pada tahun 1991 tentang struktur tiub nano berbilang dinding adalah pengetahuan umum, terdapat bukti awal untuk penemuan tiub nano karbon. Jadi, sebagai contoh, pada tahun 1974-1975. Endo et al. menerbitkan beberapa kertas yang menerangkan tiub nipis dengan diameter kurang daripada 100 Å yang disediakan melalui pemeluwapan wap, tetapi tiada kajian lebih terperinci tentang struktur telah dijalankan. Sekumpulan saintis dari Institut Pemangkin Cawangan Siberia Akademi Sains USSR pada tahun 1977, semasa mengkaji pengkarbonan pemangkin dehidrogenasi besi-kromium di bawah mikroskop, mencatatkan pembentukan "dendrit karbon berongga", manakala mekanisme pembentukan telah dicadangkan dan struktur dinding diterangkan. Pada tahun 1992, sebuah artikel diterbitkan dalam Nature menyatakan bahawa nanotube telah diperhatikan pada tahun 1953. Setahun sebelumnya, pada tahun 1952, artikel oleh saintis Soviet Radushkevich dan Lukyanovich melaporkan mengenai pemerhatian mikroskopik elektron gentian dengan diameter kira-kira 100 nm, yang diperolehi oleh penguraian haba karbon monoksida pada mangkin besi. Kajian-kajian ini juga tidak diteruskan.

Tenaga adalah industri penting yang bermain peranan yang besar Dalam kehidupan manusia. Keadaan tenaga di negara ini bergantung kepada kerja ramai saintis dalam bidang tersebut. Hari ini mereka terlibat dalam pencarian Untuk tujuan ini, mereka bersedia untuk menggunakan apa sahaja, bermula cahaya matahari dan air, berakhir dengan tenaga udara. Peralatan yang mampu menjana tenaga daripada persekitaran, sangat dihargai.

Maklumat am

Karbon nanotiub ialah satah grafit tergelek lanjutan yang mempunyai bentuk silinder. Sebagai peraturan, ketebalannya mencapai beberapa puluh nanometer, dengan panjang beberapa sentimeter. Di hujung tiub nano, kepala sfera terbentuk, yang merupakan salah satu bahagian fullerene.

Terdapat dua jenis tiub nano karbon: logam dan semikonduktor. Perbezaan utama mereka ialah kekonduksian arus. Jenis pertama boleh mengalirkan arus pada suhu yang sama dengan 0ºС, dan yang kedua - hanya pada suhu tinggi.

Karbon nanotiub: sifat

Kebanyakan kawasan moden, seperti kimia gunaan atau nanoteknologi, dikaitkan dengan tiub nano, yang mempunyai struktur rangka karbon. Apa ini? Struktur ini merujuk kepada molekul besar yang dihubungkan bersama hanya oleh atom karbon. Karbon nanotube, yang sifatnya berdasarkan cangkang tertutup, sangat dihargai. Di samping itu, pembentukan ini mempunyai bentuk silinder. Tiub sedemikian boleh diperolehi dengan melipat lembaran grafit, atau tumbuh dari pemangkin tertentu. Karbon nanotube, gambar yang dibentangkan di bawah, mempunyai struktur yang luar biasa.

Mereka datang dalam pelbagai bentuk dan saiz: satu lapisan dan berbilang lapisan, lurus dan berliku. Walaupun fakta bahawa nanotube kelihatan agak rapuh, ia adalah bahan yang kuat. Hasil daripada banyak kajian, didapati ia mempunyai ciri-ciri seperti regangan dan lenturan. Di bawah tindakan beban mekanikal yang serius, unsur-unsur tidak koyak atau pecah, iaitu, mereka boleh menyesuaikan diri dengan voltan yang berbeza.

Ketoksikan

Hasil daripada pelbagai kajian, didapati bahawa karbon nanotube boleh menyebabkan masalah yang sama seperti gentian asbestos, iaitu pelbagai tumor malignan berlaku, serta kanser paru-paru. Ijazah pengaruh negatif asbestos bergantung kepada jenis dan ketebalan gentiannya. Oleh kerana tiub nano karbon adalah kecil dalam berat dan saiz, ia mudah memasuki tubuh manusia dengan udara. Selanjutnya, mereka memasuki pleura dan memasuki dada, dan dari masa ke masa menyebabkan pelbagai komplikasi. Para saintis menjalankan eksperimen dan menambah zarah tiub nano kepada makanan tikus. Produk berdiameter kecil praktikalnya tidak tinggal di dalam badan, tetapi yang lebih besar digali ke dalam dinding perut dan menyebabkan pelbagai penyakit.

Kaedah Pemerolehan

Sehingga kini, terdapat kaedah berikut pengeluaran tiub nano karbon: cas arka, ablasi, pemendapan daripada fasa gas.

Pelepasan arka elektrik. Mendapatkan (karbon nanotube diterangkan dalam artikel ini) dalam plasma cas elektrik yang terbakar dengan helium. Proses sedemikian boleh dijalankan menggunakan peralatan teknikal khas untuk pengeluaran fullerenes. Tetapi dengan kaedah ini, mod pembakaran arka lain digunakan. Sebagai contoh, ia berkurangan, dan katod dengan ketebalan yang sangat besar juga digunakan. Untuk mewujudkan suasana helium, adalah perlu untuk meningkatkan tekanan unsur kimia ini. Karbon nanotiub diperolehi dengan sputtering. Untuk meningkatkan bilangan mereka, adalah perlu untuk memperkenalkan pemangkin ke dalam rod grafit. Selalunya ia adalah campuran kumpulan logam yang berbeza. Selanjutnya, terdapat perubahan dalam tekanan dan kaedah penyemburan. Oleh itu, deposit katodik diperoleh, di mana tiub nano karbon terbentuk. Produk siap tumbuh berserenjang dengan katod dan dikumpulkan dalam berkas. Panjangnya ialah 40 µm.

Ablasi. Kaedah ini dicipta oleh Richard Smalley. Intipatinya adalah untuk menyejat permukaan grafit yang berbeza dalam reaktor yang beroperasi di suhu tinggi Oh. Karbon nanotiub terbentuk hasil daripada penyejatan grafit di bahagian bawah reaktor.

Mereka disejukkan dan dikumpulkan melalui permukaan penyejukan. Jika dalam kes pertama, bilangan elemen adalah sama dengan 60%, maka dengan kaedah ini angka itu meningkat sebanyak 10%. Kos kaedah absolasi laser lebih mahal daripada yang lain. Sebagai peraturan, nanotube berdinding tunggal diperoleh dengan menukar suhu tindak balas.

Pemendapan daripada fasa gas. Kaedah pemendapan wap karbon telah dicipta pada akhir 50-an. Tetapi tiada siapa yang membayangkan bahawa nanotube karbon boleh diperolehi dengannya. Jadi, pertama anda perlu menyediakan permukaan dengan pemangkin. Ia boleh berfungsi sebagai zarah kecil pelbagai logam, seperti kobalt, nikel dan lain-lain lagi. Nanotiub mula muncul dari katil pemangkin. Ketebalannya secara langsung bergantung pada saiz logam pemangkin. Permukaan dipanaskan pada suhu tinggi, dan kemudian gas yang mengandungi karbon dibekalkan. Antaranya ialah metana, asetilena, etanol, dll. Ammonia berfungsi sebagai gas teknikal tambahan. Kaedah ini mendapatkan nanotube adalah yang paling biasa. Proses itu sendiri berlaku dalam pelbagai perusahaan industri menyebabkan kurang wang yang dibelanjakan untuk pembuatan sebilangan besar tiub. Satu lagi kelebihan kaedah ini ialah unsur menegak boleh didapati daripada mana-mana zarah logam yang berfungsi sebagai mangkin. Mendapatkan (karbon nanotube diterangkan dari semua pihak) menjadi mungkin terima kasih kepada penyelidikan Suomi Iijima, yang memerhati di bawah mikroskop penampilan mereka sebagai hasil sintesis karbon.

Jenis utama

Unsur karbon dikelaskan mengikut bilangan lapisan. Jenis yang paling mudah ialah nanotube karbon berdinding tunggal. Setiap daripada mereka mempunyai ketebalan kira-kira 1 nm, dan panjangnya boleh lebih lama. Jika kita mempertimbangkan strukturnya, maka produk itu kelihatan seperti membungkus grafit dengan grid heksagon. Di bahagian atasnya terdapat atom karbon. Oleh itu, tiub mempunyai bentuk silinder, yang tidak mempunyai jahitan. Bahagian atas peranti ditutup dengan penutup yang terdiri daripada molekul fullerene.

Jenis seterusnya ialah nanotube karbon berbilang lapisan. Ia terdiri daripada beberapa lapisan grafit, yang dilipat menjadi bentuk silinder. Jarak 0.34 nm dikekalkan di antara mereka. Struktur jenis ini diterangkan dalam dua cara. Menurut yang pertama, tiub multilayer ialah beberapa tiub satu lapisan yang bersarang di antara satu sama lain, yang kelihatan seperti anak patung bersarang. Menurut yang kedua, nanotube berbilang lapisan adalah kepingan grafit yang membalut dirinya beberapa kali, yang kelihatan seperti surat khabar yang dilipat.

Karbon nanotube: aplikasi

Elemen ialah wakil baharu mutlak kelas bahan nano.

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, mereka mempunyai struktur bingkai, yang berbeza dalam sifat dari grafit atau berlian. Itulah sebabnya ia digunakan lebih kerap daripada bahan lain.

Oleh kerana ciri-ciri seperti kekuatan, lenturan, kekonduksian, ia digunakan dalam banyak bidang:

sebagai bahan tambahan kepada polimer;
pemangkin untuk peranti pencahayaan, serta paparan panel rata dan tiub dalam rangkaian telekomunikasi;
sebagai penyerap gelombang elektromagnet;
untuk penukaran tenaga;
pembuatan anod dalam pelbagai jenis bateri;
penyimpanan hidrogen;
pembuatan penderia dan kapasitor;
penghasilan komposit dan pengukuhan struktur dan sifatnya.

Selama bertahun-tahun, tiub nano karbon, yang penggunaannya tidak terhad kepada satu industri tertentu, telah digunakan dalam kajian saintifik. Bahan sedemikian mempunyai kedudukan yang lemah di pasaran, kerana terdapat masalah dengan pengeluaran berskala besar. Satu lagi perkara penting ialah kos tinggi tiub nano karbon, iaitu kira-kira $120 setiap gram bahan sedemikian.

Ia digunakan sebagai elemen utama untuk pengeluaran banyak komposit, yang digunakan dalam pembuatan banyak barangan sukan. Industri lain ialah industri automotif. Kefungsian tiub nano karbon di kawasan ini dikurangkan untuk memberikan polimer dengan sifat konduktif.

Pekali kekonduksian terma tiub nano cukup tinggi, jadi ia boleh digunakan sebagai peranti penyejukan untuk pelbagai peralatan besar. Petua juga dibuat daripada mereka, yang dilekatkan pada tiub siasatan.

Bidang aplikasi yang paling penting ialah Teknologi komputer. Terima kasih kepada tiub nano, terutamanya paparan rata dicipta. Dengan bantuan mereka, anda boleh mengurangkan dengan ketara dimensi keseluruhan komputer itu sendiri, serta meningkatkan prestasi teknikalnya. Peralatan siap akan menjadi beberapa kali lebih baik daripada teknologi semasa. Berdasarkan kajian ini, adalah mungkin untuk mencipta kineskop voltan tinggi.

Dari masa ke masa, tiub akan digunakan bukan sahaja dalam elektronik, tetapi juga dalam bidang perubatan dan tenaga.

Pengeluaran

Tiub karbon, yang pengeluarannya diagihkan antara kedua-dua jenis, diagihkan secara tidak sekata.

Iaitu, MWNT menghasilkan lebih banyak daripada SWNT. Jenis kedua dilakukan sekiranya ada keperluan mendesak. Pelbagai syarikat sentiasa menghasilkan tiub nano karbon. Tetapi mereka boleh dikatakan tidak dalam permintaan, kerana kosnya terlalu tinggi.

Pemimpin pengeluaran

Hari ini, tempat utama dalam pengeluaran tiub nano karbon diduduki oleh negara-negara Asia, yang 3 kali lebih tinggi daripada di negara-negara lain di Eropah dan Amerika. Khususnya, Jepun terlibat dalam pembuatan MWNT. Tetapi negara lain, seperti Korea dan China, sama sekali tidak kalah dalam penunjuk ini.

Pengeluaran di Rusia

Pengeluaran domestik tiub nano karbon jauh ketinggalan berbanding negara lain. Malah, semuanya bergantung kepada kualiti penyelidikan dalam bidang ini. Ia tidak memperuntukkan sumber kewangan yang mencukupi untuk mewujudkan pusat sains dan teknologi di negara ini. Ramai orang tidak menerima perkembangan dalam bidang nanoteknologi kerana mereka tidak tahu bagaimana ia boleh digunakan dalam industri. Oleh itu, peralihan ekonomi ke laluan baru agak sukar.

Oleh itu, Presiden Rusia mengeluarkan dekri, yang menunjukkan cara pembangunan pelbagai kawasan nanoteknologi, termasuk unsur karbon. Untuk tujuan ini, program pembangunan dan teknologi khas telah diwujudkan.

Untuk memenuhi semua perkara pesanan, syarikat Rosnanotech telah diwujudkan. Sejumlah besar diperuntukkan daripada belanjawan negeri untuk berfungsi. Dialah yang harus mengawal proses pembangunan, pengeluaran dan pengenalan tiub nano karbon ke dalam sfera perindustrian. Jumlah yang diperuntukkan akan dibelanjakan untuk mewujudkan pelbagai institut penyelidikan dan makmal, dan juga akan mengukuhkan pencapaian sedia ada saintis tempatan. Selain itu, dana ini akan digunakan untuk membeli peralatan berkualiti tinggi untuk pengeluaran tiub nano karbon. Ia juga bernilai menjaga peranti yang akan melindungi kesihatan manusia, kerana bahan yang diberi menyebabkan banyak penyakit.

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, keseluruhan masalah adalah untuk mengumpul dana. Kebanyakan pelabur tidak mahu melabur perkembangan sains, terutamanya pada masa yang lama. Semua ahli perniagaan mahu melihat keuntungan, tetapi pembangunan nano boleh mengambil masa bertahun-tahun. Inilah yang menolak wakil perniagaan kecil dan sederhana. Di samping itu, tanpa pelaburan kerajaan, tidak mungkin untuk melancarkan sepenuhnya pengeluaran bahan nano.

Masalah lain ialah kekurangan rangka kerja undang-undang, kerana tiada hubungan perantaraan antara peringkat perniagaan yang berbeza. Oleh itu, nanotube karbon, pengeluaran yang tidak dalam permintaan di Rusia, memerlukan bukan sahaja kewangan, tetapi juga pelaburan mental. Sementara Persekutuan Rusia jauh dari negara-negara Asia, yang memimpin dalam pembangunan nanoteknologi.

Sehingga kini, perkembangan dalam industri ini dijalankan di fakulti kimia pelbagai universiti di Moscow, Tambov, St. Petersburg, Novosibirsk dan Kazan. Pengeluar utama tiub nano karbon ialah syarikat Granat dan kilang Komsomolets di Tambov.

Sisi positif dan negatif

Antara kelebihannya ialah sifat khas tiub nano karbon. Mereka adalah bahan tahan lama yang tidak runtuh di bawah pengaruh pengaruh mekanikal. Di samping itu, ia berfungsi dengan baik untuk lenturan dan regangan. Ini dimungkinkan oleh struktur bingkai tertutup. Aplikasi mereka tidak terhad kepada satu industri. Tiub telah menemui aplikasi dalam automotif, elektronik, perubatan dan tenaga.

Kelemahan yang besar ialah kesan negatif pada kesihatan manusia.

Zarah nanotube, masuk ke dalam tubuh manusia, membawa kepada kemunculan tumor ganas dan kanser.

Satu bahagian penting ialah pembiayaan industri ini. Ramai orang tidak mahu melabur dalam sains, kerana ia mengambil masa yang lama untuk mengaut keuntungan. Dan tanpa fungsi makmal penyelidikan, pembangunan nanoteknologi adalah mustahil.

Kesimpulan

Karbon nanotube bermain peranan penting dalam teknologi inovatif. Ramai pakar meramalkan pertumbuhan industri ini pada tahun-tahun akan datang. Akan ada peningkatan ketara dalam keupayaan pengeluaran, yang akan membawa kepada penurunan dalam kos barangan. Dengan penurunan harga, tiub akan mendapat permintaan yang tinggi, dan akan menjadi bahan yang sangat diperlukan untuk banyak peranti dan peralatan.

Jadi, kami mengetahui apakah produk ini.

Fullerene dan tiub nano karbon. Sifat dan aplikasi

Pada tahun 1985 Robert Curl, Harold Kroto dan Richard Smalley benar-benar tanpa diduga menemui sebatian karbon yang asasnya baru - fullerene , sifat unik yang mencetuskan kesibukan penyelidikan. Pada tahun 1996, penemu fullerenes telah dianugerahkan Hadiah Nobel.

Asas molekul fullerene ialah karbon- unik ini unsur kimia, dicirikan oleh keupayaan untuk bergabung dengan kebanyakan unsur dan membentuk molekul dengan komposisi dan struktur yang paling pelbagai. daripada kursus sekolah kimia, anda pasti tahu bahawa karbon mempunyai dua utama keadaan alotropik- grafit dan berlian. Jadi, dengan penemuan fullerene, kita boleh mengatakan bahawa karbon memperoleh keadaan alotropik yang lain.

Mari kita pertimbangkan dahulu struktur molekul grafit, berlian, dan fullerene.

grafitmempunyai struktur berlapis (Gamb.8) . Setiap lapisannya terdiri daripada atom karbon, secara kovalen kawan terikat dengan rakan menjadi heksagon biasa.

nasi. 8. Struktur grafit

Lapisan yang berjiran disatukan oleh daya van der Waals yang lemah. Oleh itu, mereka mudah meluncur antara satu sama lain. Contohnya ialah pensel mudah - apabila anda menjalankan batang grafit di atas kertas, lapisan secara beransur-ansur "mengelupas" antara satu sama lain, meninggalkan tanda di atasnya.

Berlianmempunyai tiga dimensi struktur tetrahedral (Gamb.9). Setiap atom karbon terikat secara kovalen kepada empat yang lain. Semua atom dalam kekisi kristal terletak pada jarak yang sama (154 nm) antara satu sama lain. Setiap daripada mereka disambungkan dengan yang lain melalui ikatan kovalen langsung dan terbentuk dalam kristal, tidak kira berapa saiznya, satu makromolekul gergasi

nasi. 9. Struktur berlian

Terima kasih kepada tenaga yang tinggi ikatan kovalen C-C, berlian mempunyai kekuatan tertinggi dan digunakan bukan sahaja sebagai batu berharga, tetapi juga sebagai bahan mentah untuk pembuatan alat pemotong logam dan pengisaran (mungkin pembaca pernah mendengar tentang pemprosesan berlian pelbagai logam)

Fullerenesdinamakan sempena arkitek Buckminster Fuller, yang mereka bentuk struktur ini untuk digunakan dalam pembinaan seni bina (sebab itu ia juga dipanggil buckyballs). Fullerene mempunyai struktur bingkai, sangat mengingatkan bola sepak, yang terdiri daripada "tompok" bentuk 5 dan 6 penjuru. Jika kita membayangkan bahawa atom karbon terletak di bucu polihedron ini, maka kita akan mendapat fullerene C60 yang paling stabil. (Gamb. 10)

nasi. 10. Struktur Fullerene C60

Dalam molekul C60, yang merupakan yang paling terkenal dan juga wakil paling simetri dari keluarga fullerene, bilangan heksagon ialah 20. Di samping itu, setiap pentagon bersempadan hanya pada heksagon, dan setiap heksagon mempunyai tiga sisi biasa dengan heksagon dan tiga dengan pentagon.

Struktur molekul fullerene menarik kerana rongga terbentuk di dalam "bola" karbon sedemikian, di mana, disebabkan oleh sifat kapilari adalah mungkin untuk memperkenalkan atom dan molekul bahan lain, yang memungkinkan, sebagai contoh, untuk mengangkutnya dengan selamat.

Apabila fullerene dikaji, molekulnya disintesis dan dikaji, mengandungi bilangan atom karbon yang berbeza - dari 36 hingga 540. (Rajah 11)

a B C)

nasi. 11. Struktur fullerene a) 36, b) 96, c) 540

Walau bagaimanapun, kepelbagaian struktur rangka kerja karbon tidak berakhir di situ. Pada tahun 1991, seorang profesor Jepun Sumio Iijima menemui silinder karbon panjang, dipanggil tiub nano .

Nanotiub - ini adalah molekul lebih daripada sejuta atom karbon, iaitu tiub dengan diameter kira-kira nanometer dan panjang beberapa puluh mikron . Di dalam dinding tiub, atom karbon terletak di bucu heksagon biasa.

nasi. 13 Struktur tiub nano karbon.

a) bentuk umum tiub nano

b) tiub nano terkoyak pada satu hujung

Struktur nanotube boleh dibayangkan seperti berikut: kami mengambil satah grafit, memotong jalur daripadanya dan "melekat" ke dalam silinder (sebenarnya, tentu saja, nanotube tumbuh dengan cara yang sama sekali berbeza). Nampaknya ia mungkin lebih mudah - anda mengambil satah grafit dan mengubahnya menjadi silinder! - walau bagaimanapun, sebelum penemuan eksperimen tiub nano, tiada seorang pun ahli teori meramalkannya. Jadi saintis hanya boleh mengkaji mereka dan terkejut.

Dan ada sesuatu yang mengejutkan - selepas semua, tiub nano yang menakjubkan ini sebanyak 100 ribu.

kali lebih nipis daripada rambut manusia ternyata menjadi bahan yang sangat tahan lama. Nanotiub adalah 50-100 kali lebih kuat daripada keluli dan mempunyai ketumpatan enam kali lebih rendah! modulus muda - tahap rintangan bahan terhadap ubah bentuk - untuk tiub nano adalah dua kali lebih tinggi daripada gentian karbon biasa. Iaitu, tiub bukan sahaja kuat, tetapi juga fleksibel, dan dalam tingkah laku mereka tidak menyerupai jerami rapuh, tetapi tiub getah keras. Di bawah tindakan tegasan mekanikal melebihi yang kritikal, nanotube berkelakuan agak berlebihan: mereka tidak "koyak", tidak "pecah", tetapi hanya menyusun semula diri mereka sendiri!

Pada masa ini, panjang maksimum tiub nano ialah puluhan dan ratusan mikron - yang, sudah tentu, sangat besar pada skala atom, tetapi terlalu kecil untuk kegunaan harian. Walau bagaimanapun, panjang tiub nano yang terhasil semakin meningkat secara beransur-ansur - kini saintis telah pun mendekati garis sentimeter. Tiub nano berbilang lapisan sepanjang 4 mm telah diperolehi.

Nanotube adalah yang paling banyak bentuk yang berbeza: satu lapisan dan berbilang lapisan, lurus dan berpilin. Di samping itu, ia menunjukkan rangkaian keseluruhan sifat elektrik, magnetik dan optik yang paling tidak dijangka.

Sebagai contoh, bergantung pada skema lipatan khusus satah grafit ( kiraliti), tiub nano boleh menjadi konduktor dan semikonduktor elektrik. Sifat elektronik tiub nano boleh diubah secara sengaja dengan memasukkan atom bahan lain ke dalam tiub.

Lompang di dalam fullerene dan tiub nano telah lama menarik perhatian

ahli sains. Eksperimen telah menunjukkan bahawa jika atom beberapa bahan dimasukkan ke dalam fullerene (proses ini dipanggil "interkalasi", iaitu "pengenalan"), maka ini boleh mengubah sifat elektriknya dan juga menjadikan penebat menjadi superkonduktor!

Adakah mungkin untuk menukar sifat tiub nano dengan cara yang sama? Ternyata ya. Para saintis dapat meletakkan seluruh rantai fullerene dengan atom gadolinium yang telah tertanam di dalamnya di dalam tiub nano. Sifat elektrik bagi struktur luar biasa itu sangat berbeza daripada kedua-dua sifat tiub nano yang ringkas dan berongga dan sifat tiub nano dengan fullerene kosong di dalamnya. Adalah menarik untuk diperhatikan bahawa sebutan kimia khas telah dibangunkan untuk sebatian tersebut. Struktur yang diterangkan di atas ditulis sebagai [e-mel dilindungi]@SWNT, yang bermaksud "Gd dalam C60 di dalam NanoTube Dinding Tunggal (Tube Dinding Tunggal)".

Wayar untuk peranti makro berdasarkan tiub nano boleh menghantar arus dengan sedikit atau tiada haba, dan arus boleh mencapai nilai yang besar - 10 7 A / cm 2 . Konduktor klasik pada nilai sedemikian akan menyejat serta-merta.

Beberapa aplikasi tiub nano dalam industri komputer juga telah dibangunkan. Seawal tahun 2006, monitor pelepasan skrin rata berdasarkan matriks nanotube akan muncul. Di bawah tindakan voltan yang digunakan pada satu hujung tiub nano, hujung yang satu lagi mula memancarkan elektron yang jatuh pada skrin pendarfluor dan menyebabkan piksel bercahaya. Butiran imej yang terhasil akan menjadi sangat kecil: mengikut susunan mikron!(Pemantau ini diliputi dalam kursus Peranti.)

Contoh lain ialah penggunaan tiub nano sebagai hujung mikroskop pengimbasan. Biasanya titik sedemikian adalah jarum tungsten yang diasah tajam, tetapi mengikut piawaian atom, penajaman sedemikian masih agak kasar. Nanotube, sebaliknya, adalah jarum yang ideal dengan diameter susunan beberapa atom. Dengan menggunakan voltan tertentu, adalah mungkin untuk mengambil atom dan keseluruhan molekul yang terletak pada substrat terus di bawah jarum, dan memindahkannya dari satu tempat ke tempat.

Sifat elektrik luar biasa tiub nano akan menjadikannya salah satu bahan utama nanoelektronik. Prototaip elemen baru untuk komputer dibuat berdasarkannya. Unsur-unsur ini memberikan pengurangan dalam peranti berbanding peranti silikon dengan beberapa urutan magnitud. Sekarang persoalan ke arah mana pembangunan elektronik akan pergi selepas kemungkinan pengecilan litar elektronik berdasarkan semikonduktor tradisional habis sepenuhnya (ini mungkin berlaku dalam 5-6 tahun akan datang) sedang dibincangkan secara aktif. Dan tiub nano diberi kedudukan utama yang tidak dapat dinafikan di kalangan calon yang menjanjikan untuk tempat silikon.

Satu lagi aplikasi tiub nano dalam nanoelektronik ialah penciptaan heterostruktur semikonduktor, i.e. struktur logam/separa konduktor atau persimpangan dua semikonduktor (nanotransistor) yang berbeza.

Sekarang, untuk pembuatan struktur sedemikian, tidak perlu mengembangkan dua bahan secara berasingan dan kemudian "mengimpal" mereka bersama-sama. Apa yang diperlukan ialah mencipta kecacatan struktur dalam tiub nano semasa pertumbuhannya (iaitu, untuk menggantikan salah satu heksagon karbon dengan pentagon) dengan hanya memecahkannya di tengah dengan cara yang istimewa. Kemudian satu bahagian tiub nano akan mempunyai sifat logam, dan bahagian lain akan mempunyai sifat semikonduktor!

Adalah dipercayai bahawa penemu tiub nano karbon adalah pekerja syarikat Jepun NEC Sumio Iijima, yang pada tahun 1991 memerhatikan struktur tiub nano berbilang lapisan apabila mengkaji deposit di bawah mikroskop elektron, yang terbentuk semasa sintesis bentuk molekul karbon tulen yang mempunyai struktur selular.

Pengelasan

Klasifikasi utama tiub nano adalah berdasarkan bilangan lapisan konstituennya.

Nanotube berdinding tunggal(nanotube berdinding tunggal, SNWT) - bentuk paling ringkas tiub nano. Kebanyakannya mempunyai diameter kira-kira 1 nm dengan panjang yang boleh beribu-ribu kali lebih lama. Struktur nanotiub berdinding tunggal boleh diwakili sebagai "pembalut" rangkaian heksagon grafit (graphene), yang berasaskan heksagon dengan atom karbon yang terletak di bucu sudut, ke dalam silinder lancar. Hujung atas tiub ditutup dengan penutup hemisfera, setiap lapisannya terdiri daripada heksagon dan pentagon, menyerupai struktur setengah molekul fullerene.

Gambar 1. Imej grafik nanotube satu lapisan

Tiub nano berbilang lapisan(tiub nano berbilang dinding, MWNT) terdiri daripada beberapa lapisan graphene yang disusun dalam bentuk tiub. Jarak antara lapisan ialah 0.34 nm, iaitu sama seperti antara lapisan dalam grafit kristal.

Terdapat dua model yang digunakan untuk menerangkan strukturnya. Nanotiub berbilang lapisan boleh terdiri daripada beberapa tiub nano satu lapisan bersarang satu di dalam yang lain (yang dipanggil "matryoshka"). Dalam kes lain, satu "helaian" graphene melilit dirinya beberapa kali, yang serupa dengan menatal kertas atau surat khabar (model "perkamen").

Rajah 2. Imej grafik nanotube berbilang lapisan (model matryoshka)

Kaedah sintesis

Kaedah yang paling biasa untuk sintesis tiub nano ialah kaedah arka elektrik, ablasi laser, dan pemendapan wap kimia (CVD).

Pelepasan arka - intipati kaedah ini adalah untuk mendapatkan nanotube karbon dalam plasma pelepasan arka, terbakar dalam suasana helium, pada pemasangan teknologi untuk penghasilan fullerene. Walau bagaimanapun, mod arka lain digunakan di sini: ketumpatan arus rendah nyahcas arka, tekanan helium yang lebih tinggi (~ 500 Torr), katod diameter yang lebih besar.

Untuk meningkatkan hasil tiub nano dalam produk sputtering, pemangkin (campuran logam kumpulan besi) dimasukkan ke dalam rod grafit, tekanan gas lengai dan mod sputtering ditukar.

Kandungan nanotube dalam deposit katod mencapai 60%. Tiub nano yang terhasil sehingga 40 μm panjang tumbuh dari katod berserenjang dengan permukaannya dan bergabung menjadi rasuk silinder kira-kira 50 km diameter.

Ablasi laser

Kaedah ini telah dicipta oleh Richard Smalley dan Universiti Rice dan berdasarkan penyejatan sasaran grafit dalam reaktor suhu tinggi. Tiub nano muncul pada permukaan reaktor yang disejukkan sebagai kondensat penyejatan grafit. Permukaan yang disejukkan air boleh dimasukkan ke dalam sistem pengumpulan tiub nano.

Hasil produk dalam kaedah ini adalah kira-kira 70%. Dengan bantuannya, kebanyakan nanotiub karbon berdinding tunggal dengan diameter dikawal oleh suhu tindak balas diperolehi. Walau bagaimanapun, kos kaedah ini jauh lebih mahal daripada yang lain.

Pemendapan wap kimia (CVD)

Kaedah pemendapan wap karbon pemangkin telah ditemui pada tahun 1959, tetapi sehingga tahun 1993 tiada siapa yang mengandaikan bahawa tiub nano boleh diperolehi dalam proses ini.

Dalam proses kaedah ini, substrat disediakan dengan lapisan pemangkin - zarah logam (paling kerap nikel, kobalt, besi, atau gabungannya). Diameter tiub nano yang ditanam dengan cara ini bergantung pada saiz zarah logam.

Substrat dipanaskan hingga kira-kira 700°C. Untuk memulakan pertumbuhan tiub nano, dua jenis gas dimasukkan ke dalam reaktor: gas proses (contohnya, ammonia, nitrogen, hidrogen, dll.) dan gas yang mengandungi karbon (asitilena, etilena, etanol, metana, dll.). Nanotiub mula tumbuh di tapak pemangkin logam.

Mekanisme ini adalah kaedah komersial yang paling biasa untuk pengeluaran tiub nano karbon. Antara kaedah lain untuk mendapatkan tiub nano, CVD adalah yang paling menjanjikan pada skala industri kerana nisbah terbaik dari segi harga seunit. Di samping itu, ia memungkinkan untuk mendapatkan nanotube berorientasikan menegak pada substrat yang dikehendaki tanpa pengumpulan tambahan, serta mengawal pertumbuhannya melalui pemangkin.

Kawasan kegunaan

Karbon nanotiub bersama dengan fullerene dan struktur karbon mesoporus terbentuk kelas baru bahan nano karbon, atau struktur rangka kerja karbon, dengan sifat yang berbeza dengan ketara daripada bentuk karbon lain seperti grafit dan berlian. Walau bagaimanapun, tiub nano adalah yang paling menjanjikan di antara mereka.

Berminat dengan perniagaan bahan nano? Kemudian anda mungkin berminat