Интересные шторы из углеродных нанотрубок, реагирующие на свет

Углеродные нанотрубки. Устройство и применение. Особенности

Углеродные нанотрубки – это материал, которым грезят многие ученые. Высокий коэффициент прочности, превосходная тепло- и электропроводность, огнестойкость и весовой коэффициент на порядок выше, чем у большинства известных материалов. Углеродные нанотрубки представляют свернутый в трубку лист графена. Русские ученые Константин Новоселов, а также Андрей Гейм за его открытие получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Впервые же наблюдать за углеродными трубками на поверхности железного катализатора могли советские ученые еще в 1952 году. Однако потребовалось пятьдесят лет, чтобы ученые смогли увидеть в нанотрубках перспективный и полезный материал. Одним из поразительных свойств этих нанотрубок является то, что их свойства определяются геометрией. Так от угла скручивания зависят их электрические свойства — нанотрубки могут демонстрировать полупроводниковую и металлическую проводимость.

Многие перспективные направления в нанотехнологиях сегодня связывают именно с углеродными нанотрубками. Если просто, то углеродные нанотрубки представляют гигантские молекулы или каркасные структуры, которые состоят лишь из атомов углерода. Легко представить такую нанотрубку, если вообразить, что происходит сворачивание в трубку графена – это один из молекулярных слоев графита. Метод сворачивания нанотрубок во многом определяет конечные свойства данного материала.

Естественно, что никто не создает нанотрубки, специально сворачивая их из листа графита. Образуются нанотрубки сами, к примеру, на поверхности угольных электродов либо между ними при дуговом разряде. Атомы углерода при разряде испаряются с поверхности и соединяются между собой. В результате образуются нанотрубки различного вида – многослойные, однослойные и с различными углами закручивания.

Основная классификация нанотрубок как раз идет по числу составляющих их слоев:

однослойные нанотрубки – самый простой вид нанотрубок. Большая их часть из них имеют диаметр порядка 1 нм при длине, которая может получиться в тысячи раз больше;
многослойные нанотрубки, состоящих из нескольких слоев графена, они складываются в форме трубки. Между слоями образуется расстояние 0,34 нм, то есть идентичное расстоянию между слоями в кристалле графита.

Устройство

Нанотрубки представляют протяженные цилиндрические структуры углерода, которые могут иметь длину до нескольких сантиметров и диаметр от одного до нескольких десятков нанометров. В то же время сегодня имеются технологии, которые позволяют сплетать их в нити неограниченной длины. Они могут состоять из одной или нескольких графеновых плоскостей, свернутых в трубку, которые обычно заканчиваются полусферической головкой.

Диаметр нанотрубок составляет несколько нанометров, то есть несколько миллиардных долей метра. Стенки углеродных нанотрубок выполнены из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Трубки могут иметь разный тип строения, именно он влияет на их механические, электронные и химические свойства. Однослойные трубки имеют меньше дефектов, в то же время после отжига при высокой температуре в инертной атмосфере удается получить и бездефектные варианты трубок. Многослойные нанотрубки отличаются от стандартных однослойных существенно более широким разнообразием конфигураций и форм.

Синтезировать углеродные нанотрубки можно разными способами, но наиболее распространенными являются:

Дуговой разряд . Метод обеспечивает получение нанотрубок на технологических установках для выработки фуллеренов в плазме дугового разряда, который горит в атмосфере гелия. Но здесь применяются иные режимы горения дуги: более высокое давление гелия и низкие плотности тока, а также катоды большего диаметра. В катодном осадке находятся нанотрубки длиной до 40 мкм, они растут перпендикулярно от катода и объединяются в цилиндрические пучки.
Метод лазерной абляции . Метод базируется на испарении мишени из графита в специальном высокотемпературном реакторе. Нанотрубки образуются на охлажденной поверхности реактора в виде конденсата испарения графита. Данный метод позволяет преимущественно получать однослойные нанотрубки с контролем необходимого диаметра посредством температуры. Но указанный метод существенно дороже других.
Химическое осаждение из газовой фазы . Данный метод предполагает подготовку подложки со слоем катализатора – это могут быть частицы железа, кобальта, никеля или их комбинаций. Диаметр нанотрубок, выращенных указанным способом, будет зависеть от размера используемых частиц. Подложка нагревается до 700 градусов. Для инициации роста нанотрубок вводятся в реактор углеродосодержащий газ и технологический газ (водород, азот или аммиак). Нанотрубки растут на участках катализаторов из металла.

Применения и особенности

Применения в фотонике и оптике . Подбирая диаметр нанотрубок можно обеспечить оптическое поглощение в большом спектральном диапазоне. Однослойные углеродные нанотрубки проявляют сильную нелинейность насыщающегося поглощения, то есть при достаточно интенсивном свете они становятся прозрачными. Поэтому они могут применяться для разных приложений в области фотоники, к примеру, в маршрутизаторах и коммутаторах, для создания ультракоротких лазерных импульсов и регенерации оптических сигналов.
Применение в электронике . На данный момент заявлено множество способов использования нанотрубок в электронике, однако реализовать удается лишь небольшую ее часть. Наибольший интерес вызывает применение нанотрубок в прозрачных проводниках в качестве термоустойчивого межфазного материала.

Актуальность попыток внедрения нанотрубок в электронике вызвано необходимостью замены индия в теплоотводах, которые применяются в транзисторах большой мощности, графических процессорах и центральных процессорах, ведь запасы этого материала уменьшаются, а цена на него растет.

Создание сенсоров . Углеродные нанотрубки для сенсоров – одно из наиболее интересных решений. Ультратонкие пленки из одностенных нанотрубок на данный момент могут стать наиболее лучшей основой для электронных сенсоров. Производить их можно с применением разных методов.
Создание биочипов, биосенсоров , контроля адресной доставки и действия лекарств в биотехнологической отрасли. Работы в данном направлении сегодня вовсю ведутся. Высокопроизводительный анализ, выполняемый с использованием нанотехнологий, позволит существенно уменьшить время, которое нужно для вывода технологии на рынок.
Сегодня резко растет производство нанокомпозитов , в основном полимерных. При введении в них даже небольшого количества углеродных нанотрубок обеспечивается существенное изменение свойств полимеров. Так у них повышается термическая и химическая устойчивость, теплопроводность, электропроводность, улучшаются механические характеристики. Усовершенствованы десятки материалов при помощи добавления в них углеродных нанотрубок;

— композитные волокна на основе полимеров с нанотрубками;
— керамические композиты с добавками. Увеличивается трещиностойкость керамики, появляется защита электромагнитного излучения, увеличивается электро- и теплопроводность;
— бетон с нанотрубками – повышается марка, прочность, трещиностойкость, уменьшается усадка;
— металлические композиты. Особенно медные композиты, у которых механические свойства в несколько раз выше, чем у обычной меди;
— гибридные композиты, в которых содержатся сразу три компонента: неорганические или полимерные волокна (ткани), связующее вещество и нанотрубки.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств углеродных нанотрубок можно отметить:

Множество уникальных и по-настоящему полезных свойств, которые можно применять в области внедрения энергоэффективных решений, фотоники, электроники, и иных приложений.
Это наноматериал, который обладает высоким коэффициентом прочности, превосходной тепло- и электропроводностью, огнестойкостью.
Улучшение свойств других материалов при внедрении в них небольшого количества углеродных нанотрубок.
Углеродные нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект, то есть они могут втягивать в себя расплавленные металлы и иные жидкие вещества;
Нанотрубки сочетают в себе свойства твердого тела и молекул, что открывает значительные перспективы.

Среди недостатков углеродных нанотрубок можно отметить:

Углеродные нанотрубки на данный момент не производятся в промышленных масштабах, поэтому их серийное применение ограничено.
Стоимость производства углеродных нанотрубок высока, что также ограничивает их применение. Тем не менее, ученные усиленно работают над снижением себестоимости их производства.
Необходимость совершенствования технологий производства для создания углеродных нанотрубок с точно заданными свойствами.

Перспективы

В ближайшем будущем углеродные нанотрубки будут применяться повсеместно, из них будут создаваться:

Нановесы, композитные материалы, сверхпрочные нити.
Топливные элементы, прозрачные проводящие поверхности, нанопровода, транзисторы.
Новейшие нейрокомпьютерные разработки.
Дисплеи, светодиоды.
Устройства для хранения металлов и газов, капсулы для активных молекул, нанопипетки.
Медицинские нанороботы для доставки лекарств и проведения операций.
Миниатюрные датчики с ультравысокой чувствительностью. Такие нанодатчики могут найти применение в биотехнологических, медицинских и военных применениях.
Трос для космического лифта.
Плоские прозрачные громкоговорители.
Искусственные мышцы. В будущем появятся киборги, роботы, инвалиды будут возвращаться к полноценной жизни.
Двигатели и генераторы энергии.
Умная, легкая и комфортная одежда, которая будет защищать от любых невзгод.
Безопасные суперконденсаторы с быстрой зарядкой.

Все это в будущем, ведь промышленные технологии создания и использования углеродных нанотрубок находятся на начальном этапе развития, а цена их крайне дорога. Но российские ученые уже заявили, что они нашли способ снизить стоимость создания этого материала в двести раз. Эта уникальная технология производства углеродных нанотрубок на данный момент держится в секрете, но она должна произвести революцию в промышленности и во многих иных областях.

Что такое углеродные нанотрубки?

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические молекулы, изготовленные из свернутых листов графена. Это самые жесткие и прочные материалы, которые были синтезированы. Они имеют уникальные электрические и тепловые свойства. Эти нанотрубки могут иметь множество применений, от электроники до материаловедения.

С момента открытия углеродных нанотрубок в 1991 году появился новый ученик в области материаловедения – нанонаука. Многие университеты и организации по всему миру вложили миллионы долларов, чтобы раскрыть тайны этих материалов.

Углеродные нанотрубки – интригующий аллотроп углерода. У них есть множество уникальных, никогда не встречавшихся ранее свойств. Например, они могут быть плотными и сильными, будучи тоньше человеческого волоса.

Углеродная нанотрубка представляет собой чрезвычайно маленькую цилиндрическую структуру, изготовленную из графена. Графен представляет собой один слой атомов углерода, плотно связанных в двумерной гексагональной решетке.

Они могут быть изготовлены различной длины в соответствии с требованиями. Эти конструкции невероятно легкие, стабильные и обладают потенциалом для разработки удивительных материалов будущего. На самом деле, они считаются лучшим кандидатом на материал для строительства космического лифта.

Ниже мы подробно остановились на процессе производства, свойствах и применениях углеродных нанотрубок. Это просто краткий обзор того, что мы знаем об этих удивительных молекулах.

Два основных типа углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки могут быть классифицированы на основе их структуры –

Одностенная зигзагообразная углеродная нанотрубка

1) Одностенные нанотрубки (ОСНТ): имеют диаметры в диапазоне один нанометр. Они являются одним из углеродных аллотропов, промежуточных между плоскими графеновыми и фуллереновыми клетками.

2) Многостенные нанотрубки (MWNT): состоит из нескольких концентрически связанных углеродных нанотрубок. Они могут быть длиной в несколько микрометров (или даже миллиметров) с диаметром более 100 нанометров.

Обе структуры имеют различные характеристики, которые делают эти нанотрубки подходящими для различных применений.

Многостенные нанотрубки

Кто открыл углеродные нанотрубки?

Это довольно спорный вопрос, потому что многие ученые сообщают о существовании углеродных нанотрубок. В документе, опубликованном в 2006 году, описывалось увлекательное и часто искаженное происхождение углеродной нанотрубки.

Хотя история углеродных нанотрубок восходит к началу 1950-х годов (когда два российских ученых опубликовали четкие изображения углеродных трубок с 50 нанометрами), большая часть научной и популярной литературы посвящена японскому физику Сумио Иидзиме за открытие полого нанометрового размера трубы, состоящие из графитового углерода.

В 1991 году он написал статью, описывающую многостенные углеродные нанотрубки, что послужило основанием для интенсивных исследований углеродных наноструктур.

Как они сделаны?

Углеродные нанотрубки могут быть изготовлены несколькими способами. Тремя наиболее распространенными процедурами являются разряд, лазерная абляция и химическое осаждение из паровой фазы.

Дуговой разряд – это традиционная технология, в которой углеродные нанотрубки получают дуговым испарением двух углеродных стержней, расположенных вплотную. Эти нанотрубки затем изолируются от пара и сажи.

При лазерной абляции для испарения графита используются инертный газ и пульсирующий лазер (при высоких температурах). Углеродные нанотрубки затем извлекаются из паров, которые обычно требуют дальнейшей очистки.

Процесс химического осаждения из паровой фазы дает возможность массового производства нанотрубок в более легко контролируемых условиях и при меньших затратах. Таким образом, в настоящее время это самый популярный метод синтеза углеродных нанотрубок.

В этом процессе производители объединяют углеродсодержащие реакционные газы (такие как окись углерода или водород) с металлическими катализаторами (такими как железо), чтобы получить нанотрубки на катализаторе внутри высокотемпературной печи.

Процесс может быть либо плазменным, либо чисто каталитическим. Последнее требует более высоких температур (до 750 ° C), чем процесс с плазменной поддержкой (200-500 ° C).

Во всех этих трех методах конечные продукты должны быть дополнительно очищены с использованием различных методов, таких как обработка ультразвуком или кислотой.

Свойства углеродных нанотрубок

Механический – с точки зрения модуля упругости и прочности на разрыв, углеродные нанотрубки являются самыми жесткими и прочными материалами, которые синтезируются. Этот вид силы происходит от чрезвычайно сильной формы молекулярного взаимодействия между отдельными атомами углерода – ковалентными связями sp 2 .

Сравнение механических свойств разных материалов

Нанотрубки удерживаются вместе сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Обычно углеродные нанотрубки намного длиннее своего диаметра. В 2013 году исследовательская группа создала углеродные нанотрубки длиной 0,5 метра с отношением диаметра к длине 1: 132 000,00.

Исследование , проведенное в 2008 году, показало, что отдельные нанотрубки могут иметь прочность до 100 гигапаскалей. Стандартные одностенные нанотрубки, однако, могут выдерживать давление до 25 гПа без постоянной деформации.

Электроуглеродные нанотрубки обладают исключительной электропроводностью. Они либо металлические, либо полупроводниковые, и эти свойства не зависят от того, свернута ли трубка ниже или выше плоскости графена. Электрические свойства остаются неизменными для нанотрубки и ее зеркального отражения.

Теоретически, металлические нанотрубки могут нести в 1000 раз больше плотности электрического тока, чем металлы, такие как медь.

Оптико-углеродные нанотрубки обладают полезными свойствами фотолюминесценции, оптического поглощения и спектроскопии комбинационного рассеяния света.

Они обеспечивают надежную и быструю характеристику «качества нанотрубок» с точки зрения структурных дефектов и нетрубого содержания углерода. Эти характеристики определяют практически все важные свойства, включая электрические, механические и оптические свойства.

Хотя электрохимические, электрические и механические свойства нанотрубок хорошо изучены и имеют практическое применение в различных областях, применение оптических свойств до сих пор неясно. До настоящего времени светодиоды, оптоэлектронные запоминающие устройства, болометры были реализованы с использованием одностенных углеродных нанотрубок.

Термические – углеродные нанотрубки обладают уникальными термическими свойствами , которые делают их особенными для разработки новых материалов. На самом деле их теплопроводность намного лучше, чем у алмазов.

Теплопроводность при комнатной температуре одностенной нанотрубки вдоль ее оси составляет 3500 Вт · м -1 · К -1 . Температурная стабильность этих нанотрубок составляет около 750 ° С на воздухе и до 2800 ° С в вакууме.

Применение

За последние два десятилетия цены на углеродные нанотрубки снизились с 1500 долларов за грамм до 2 долларов за грамм. Это открыло широкий спектр применений, особенно в области материаловедения и электроники.

В настоящее время используются плоские дисплеи, сенсорные устройства, сканирующие зондовые микроскопы, ветряные турбины, морские краски, велосипедные компоненты и спортивное оборудование, такое как хоккейные клюшки, лыжи и бейсбольные биты.

Гибкий водородный датчик из одностенных нанотрубок / Фото: DR. Sun / Argonne

Объемные углеродные нанотрубки были использованы для создания вантаблака (одного из самых темных известных материалов, который поглощает до 99,96% видимого света). В тканевой инженерии они могут использоваться в качестве строительных лесов для роста костей.

В будущем эти нанотрубки могут использоваться для различных целей: их можно использовать для лечения рака, мониторинга окружающей среды, накопления энергии, плоских дисплеев, конструкций самолетов, радаров и космических аппаратов.

Риски для здоровья углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки-это недавно открытый материал с многолетней историей. Нам еще многое предстоит раскрыть. Хотя из-за этого материала не произошло никаких серьезных несчастных случаев, некоторые результаты показывают, что нанотрубки могут представлять опасность для здоровья, аналогичную асбесту.

Потенциальные риски для здоровья не являются причиной для тревоги, но компании, работающие с углеродными нанотрубками, должны принять некоторые меры предосторожности, чтобы избежать воздействия.

В 2013 году Национальный институт безопасности и гигиены труда опубликовал отчет с подробным описанием рисков и рекомендованных пределов воздействия для углеродных нановолокон и нанотрубок.

В 2016 году Европейский Союз установил правила коммерциализации одностенных углеродных нанотрубок (до 10 метрических тонн).

Последние исследования

Много исследований было проведено в той же области, особенно в последние пару лет.

Например, в 2019 году ученые открыли новый способ физического измерения углеродных нанотрубок. Другая группа исследователей продемонстрировала 16-разрядный микропроцессор, состоящий из 14 000 углеродных нанотрубок.

В 2018 году исследователи создали большое количество нетронутых одностенных нанотрубок в оттенках радуги. Это может найти применение в средствах для нанесения покрытий для новых типов солнечных элементов или технологий с сенсорным экраном.

В 2017 году ученые обнаружили, что усовершенствованные одностенные углеродные нанотрубки могут предложить более эффективный и устойчивый способ очистки и очистки воды, чем традиционные промышленные материалы, такие как силиконовые гели.

Получено нитевидное волокно из углеродных нанотрубок, обладающее прочностью, гибкостью и высокой электропроводностью

Углеродные нанотрубки, с момента их открытия в 1991 году, считаются весьма перспективными для применения в самых различных областях, благодаря их высокой электропроводности, прочности, в 100 раз превышающей прочность стали, и прочим уникальным свойствам. Но по сей день применение углеродных нанотрубок ограничено лишь стенами исследовательских лабораторий, в которых проводятся работы с устройствами и объектами микроскопического масштаба. Но постепенно углеродные нанотрубки начинают пробиваться и на более высокий уровень, на уровень вещей обычного масштаба, которые можно “увидеть глазами и пощупать руками”. И к таким вещам можно смело отнести новое волокно, сотканное из углеродных нанотрубок, которое проводит тепло и электрический ток как металлический проводник, которое прочно как углеродистое волокно и которое гибко, как обычная текстильная пряжа.

Основываясь на многолетних исследованиях, команда ученых из университета Райс (Rice University), голландской фирмы Teijin Aramid, Научно-исследовательской лаборатории ВВС США и израильского Технологического института Technion, разработала технологию “мокрого плетения”, физико-химический процесс, который с помощью хлорсульфоновой кислоты позволяет разделить запутавшиеся углеродные нанотрубки и выровнять их в одном направлении. После этого нанотрубки выдавливаются сквозь крошечные отверстия, формируя длинные тонкие волокна, состоящие из триллионов плотно упакованных нанотрубок. Из этих тончайших волокон вполне традиционным методом прядется нанотрубочная нить, которая имеет самую высокую электрическую проводимось по сравнению с нитями из нанотрубок, изготовленными другими способами.

Для демонстрации свойств нанотрубочного волокна исследователи взяли и подвесили достаточно массивную электрическую лампочку на двух нитях, которые почти невидимы. При этом, электрический ток, обеспечивающий работу этой лампочки, передавался по этим же волокнам.

“У нас, наконец, появилось волокно из нанотрубок, обладающее таким набором свойств, которым не обладает ни один другой материал” – рассказывает Маттео Паскуали (Matteo Pasquali) профессор в области химии и молекулярной химии университета Райс, – “Это похоже на черную нить из хлопка, прочную, как углеродистое волокно и проводящее ток, как металлический провод”.

“Нанотрубочное волокно имеет теплопроводность, приближающуюся к теплопроводности лучших образцов волокон из графита, но с электропроводностью в десять раз выше” – добавляет Марчин Отто (Marcin Otto), сотрудник компании Teijin Aramid, – “Но графитовые волокна весьма хрупки, в то время нанотрубочное волокно гибко и прочно как текстильные нити. Мы ожидаем, что уникальная комбинация свойств нанотрубочного волокна обеспечит ему весьма широкий ряд применений в космической, автомобильной, электронной промышленности, в медицине и здравоохранении”.

Электрическая проводимость нанотрубочного волокна находится на одном уровне с проводимостью проводников из меди, золота и алюминия. Но прочность нановолокна значительно превышает прочность металлических проводников, что дает ему несомненные преимущества в некоторых областях. “Металлические проводники будут интенсивно рваться даже на этапе их производства, если их толщина будет очень мала” – рассказывает Паскуали, – “Поэтому во многих случаях используют металлические провода, сечение которых значительно превышает сечение, необходимое с электрической точки зрения. Главным примером тому является кабель для организации компьютерных сетей. И именно в таких случаях будет целесообразно использовать тончайшее волокно, сотканное из нанотрубок нашим способом”.

Углеродные нанотрубки, их производство, свойства и применение

Углеродные нанотрубки, их производство, свойства и применение.

Углеродные нанотрубки – это углеродная модификация углерода, представляющая собой полые цилиндрические структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.

Описание углеродных нанотрубок:

Углеродные нанотрубки являются одной из аллотропных форм углерода наряду с алмазом , графитом, графеном , фуллереном , карбином и пр.

Если смотреть на углеродную нанотрубку в микроскоп с увеличением в миллион раз, то можно наблюдать полый цилиндр, поверхность которого формируется множеством шестиугольных многоугольников. На самой вершине равностороннего многоугольника располагается атом углерода. Углеродная нанотрубка визуально напоминает лист бумаги свернутый в трубку, только вместо бумажной поверхности следует рассматривать графитовую (точнее – графеновую) плоскость. В научной среде цилиндрическую плоскость трубки принято называть графеновой. Толщина графеновой плоскости не превышает один атом углерода .

Длина углеродной нанотрубки может достигать до нескольких сантиметров. Некоторым ученым удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной 20 см. Для получения более длинных структур их можно сплести в нити неограниченной длины.

Физические свойства нанотрубок пребывают в прямой зависимости от хиральности (особенность мельчайших частиц вещества не накладываться полностью на свое зеркальное отображение). Степень хиральности определяется зависимостью, существующей между специальными индексами хиральности (n, m) и неким углом сворачивания трубки (α).

Индексы хиральности (n, m) при этом являются координатами радиус-вектора R в заданной на графеновой плоскости косоугольной системе координат, определяющего ориентацию оси трубки относительно графеновой плоскости и ее диаметр. Индексы (n, m) указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания трубки должен совпасть с шестиугольником в начале координат.

Виды и классификация углеродных нанотрубок:

В зависимости от индексов хиральности различают: прямые, зубчатые, зигзагообразные и спиральные углеродные нанотрубки.

По количеству графеновых слоев углеродные нанотрубки делятся на однослойные ( одностенные ) и многослойные (многостенные).

Наиболее простой вид нанотрубок содержит один слой. Диаметр однослойных нанотрубок может составлять один нанометр, длина – превышать предыдущий вариант в тысячи раз. Однослойную нанотрубку нередко отождествляют с «выкройкой» графена, имеющей сеточную структуру и состоящую из бесчисленного множества правильных многоугольников.

Многослойные нанотрубки содержат несколько слоев графена. Они характеризуются широким разнообразием форм и конфигураций. Причем разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Здесь выделяются следующие типы:

– нанотрубки в виде совокупности коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок, т.н. тип «русская матрёшка» (russian dolls),

– нанотрубки в виде совокупности вложенных друг в друга коаксиальных (шестигранных) призм,

– нанотрубки в виде свитка (scroll).

Расстояние между соседними графеновыми слоями составляет 0,34 нм, как в обычном графите.

По типу торцов углеродные нанотрубки бывают:

– закрытые (заканчивающиеся полусферой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена).

По электронным свойствам углеродные нанотрубки делятся на:

– металлические. Разность индексов хиральности (n – m) делится на 3 либо индексы равны между собой,

– полупроводниковые. Прочие значения индексов хиральности (n и m).

Тип проводимости нанотрубок зависит от их хиральности, т.е. от группы симметрии, к которым принадлежит конкретная нанотрубка, причем он подчиняется простому правилу: если индексы нанотрубки равны между собой или же их разность делится на три, нанотрубка является полуметаллом, в любом другом случае они проявляют полупроводниковые свойства.

Свойства и преимущества углеродных нанотрубок:

– обладают адсорбционными свойствами. Могут хранить в себе различные газы, например, водород . Попав внутрь атомы и молекулы уже не могут выйти наружу, т.к. концы трубки запаиваются, а пройти через графеновые плоскости цилиндра они не могут, т.к. углеродные решетки слишком узки для большинства атомов,

– обладают капиллярным эффектом. Углеродные нанотрубки открытым концом втягивают в себя жидкие вещества и расплавленные металлы,

– улучшение эксплуатационных характеристик других материалов при добавлении в их структуру,

– высокая прочность. Углеродные нанотрубки прочнее лучших марок стали в 50-100 раз,

– имеют в шесть раз меньшую плотность, чем обыкновенная сталь. Это означает, что материалы на основе углеродных нанотрубок при одинаковом объеме будут в десятки раз прочнее. Нанокабель длиной от Земли до Луны, состоящий из одной углеродной нанотрубки, можно намотать на катушку размером с маковое зернышко,

– модуль Юнга у углеродных нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон ,

– небольшая нить из углеродных нанотрубок диаметром 1 мм выдерживает груз весом 20 тонн, что в сотни миллиардов раз больше ее собственной массы,

– рекордно высокая удельная поверхность – до 2 600 м 2 /г,

– высокая гибкость. Их можно растягивать, сжимать, скручивать и пр., не опасаясь при этом повредить их каким-либо образом. Они напоминают жесткие резиновые трубки, которые не рвутся и не ломаются при различных механических нагрузках. Однако под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не только не рвутся и не ломаются, а просто перестраиваются, сохраняя при этом высокую прочность, гибкость, прочие механические и электрические свойства,

– высокая устойчивость к изнашиваемости. Многоразовая деформация (тысячи и десятки тысяч циклов скручивания/раскручивания, сжатия/растяжения в минуту) нанотрубок никаким образом не влияет на их прочность, на их электро- и теплопроводность. Какие-либо признаки деформации либо износа при этом отсутствуют,

– повышенная электро- и теплопроводность. Проводимость меди, как лучшего металлического проводника таблицы Д.И. Менделеева , в 1000 раз хуже, чем у углеродных нанотрубок. При этом, электропроводность трубок зависит от индекса хиральности. В одних случаях нанотрубки могут быть полупроводниками, в других проявлять свойства практически идеальных проводников. В последнем случае через нанотрубки можно пропускать электрический ток величиной 10 7 А/см 2 и при этом они не будут выделять тепло (в то время как обычный проводник из меди сразу бы испарился),

– взаимная связь между электрическими и механическими свойствами,

– токсичность и канцерогенность, аналогичная асбестовым волокнам. Вместе с тем токчичность и канцерогенность нанотрубок (как и волокон асбеста) весьма различна и зависит от диаметра и типа волокон. На сегодняшний день продолжаются исследования по вопросу биологической совместимости нанотрубок с живыми организмами. Во всяком случае при работе с нанотрубками следует соблюдать меры безопасности, и в первую очередь обеспечить защиты органов дыхания и органов пищеварения,

– проявляют мемристорный эффект,

– занимают промежуточное положение между кристаллами и отдельными атомами. Поэтому применение углеродных нанотрубок будет способствовать миниатюризации устройств,

– с помощью углеродных нанотрубок можно создавать полупроводниковые гетероструктуры, т.е. структуры типа «металл/полупроводник» или стык двух разных полупроводников,

– обладая повышенной теплопроводностью, эффективно рассеивают тепло,

– ловят радиоволны частотой от 40 до 400 МГц (обычные АМ и FМ волны), а затем усиливают и передают их,

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) — перспективный материал, который планируется использовать в широком спектре отраслей — от производства велосипедов до микроэлектроники. Однако даже минимальное нарушение атомной структуры УНТ приводит к падению их прочности на 50%. Это ставит под сомнение возможность строительства космического лифта из материала на основе углеродных нанотрубок.

Ученые нашли способ структурно усилить графен в два раза

Материал графен представляет собой двумерную модификацию углерода толщиной в один атом с кристаллической решеткой гексагонального вида. Ученые очень заинтересованы в этом материале, поскольку он обладает рядом свойств, делающих его практически универсальным и применимым в совершено любой сфере производства. А еще этот материал теоретически считается самым прочным веществом в мире.

В Южной Корее построили самое черное здание в мире

В южнокорейском городе Пхёнчхан появилось самое черное здание в истории. В прямом смысле этого выражения. Архитектору Асифу Кхану было поручено создать по случаю зимних Олимпийских игр 2018 года новое здание Hyundai Pavilion с параболическими стенами высотой 10 метров и длиной 35 метров и покрыть его одним самым черным из известных веществ Vantablack VBx 2.

Обнаружено новое удивительное свойство воды

Несмотря на свою общедоступность, вода по-прежнему скрывает множество удивительных свойств. И одно из таких свойств недавно обнаружили исследователи из Массачусетского технологического института. Дело в том, что вода, помещенная в крошечные нанотрубки, может замерзать даже при высоких температурах.

Наука позволила гусеницам шелкопряда вырабатывать сверхпрочную шёлковую нить

Гусеница тутового шелкопряда в течение 26-32 дней питается исключительно листьями дерева шелковицы, после чего сплетает для себя кокон из непрерывной шёлковой нити длиной от 300 до 1500 метров. Эти белые коконы активно используются в текстильной промышленности для производства шёлка. Толщина шёлкового волокна составляет всего 20-30 микрометров, а разрывное напряжение – около 40 кгс/мм². Не так давно китайским учёным удалось в ходе необычного эксперимента получить куда более прочную шёлковую нить с необычными свойствами, способную заинтересовать даже Спайдермена.

Как карбоновые нанотрубки смогут сделать батареи более ёмкими, а процессоры более быстрыми?

Нанотрубки из карбона — удивительный материал, способный значительно увеличить вычислительную мощность техники и позволяющий создать аккумуляторы большей мощности, чем нынешние, при этом сохранив существующие размеры. Но на пути внедрения данной технологии все еще стоит ряд трудностей.

Углеродные нанотрубки не подойдут для создания космического лифта

Углеродные нанотрубки (УНТ) — перспективный материал, который планируется использовать в широком спектре отраслей — от производства велосипедов до микроэлектроники. Однако, как недавно выяснилось, даже минимальное нарушение атомной структуры УНТ приводит к падению их прочности на 50%. Это ставит под сомнение возможность строительства космического лифта из материала на основе углеродных нанотрубок.

Ученые создали углеродную нанопленку прочнее кевлара и углеродного волокна

На первый взгляд может показаться, что на фотографии выше находится обычный пакет для мусора. Однако это не так. На фото выше изображена пленка из углеродных нанотрубок, которая прочнее кевлара и эластичнее углеродного волокна.

Учёные создали искусственную кожу, различающую прикосновения

Команда исследователей из Стэнфордского университета, возможно, осуществила научный прорыв, который сможет изменить жизни людей-ампутантов. Учёные разработали искусственный заменитель кожи, который способен ощущать прикосновения и передавать эту информацию нервной системе. Подобная технология может быть использована при создании футуристичных протезов, которые будут встроены в человеческую нервную систему. Кроме того, эта технология позволит людям не только почувствовать прикосновения, но и определить их силу.

Крупный прорыв IBM вдохнул новую жизнь в закон Мура

Кремний мертв. Да здравствуют углеродные нанотрубки. В транзисторах размер имеет значение — и большое. Вы не можете втиснуть больше кремниевых транзисторов в процессор, если не сделаете их меньше, но чем меньше становятся транзисторы, тем выше сопротивление между контактами, что означает затруднение течения тока и, в свою очередь, транзисторы и чипы на их основе теряют в качестве. Сверхкрошечные углеродные нанотрубчатые транзисторы, впрочем, могут решить проблему с размером.

Беспроводной сенсор предупредит вас о том, что ваша еда начала портиться

Вы все прекрасно знаете, как пахнет испорченная еда. Но зачастую портиться она начинает задолго до того, как над ней появляется этот отпугивающий «аромат». А это запросто может привести человека к пищевому отравлению. Химики из Массачусетского технологического университета придумали, как можно решить эту проблему и защитить наши желудки.

Реферат: Применение углеродных нанотрубок в энергетике

Казанский Государственный Технологический Университет

Кафедра технологии электрохимических производств

по предмету: Химические методы формирования наноструктур

на тему: Применение углеродных нанотрубок в энергетике

1. Углеродные нанотрубки

1.1 Углеродные нанотрубки

1.2 Классификация нанотрубок

1.3 История открытия

1.4 Структурные свойства

1.5 Возможные применения нанотрубок

1.6 Получение углеродных нанотрубок

2. Электронные свойства нанотрубок

2.2 Электронные свойства графитовой плоскости

2.3 Экситоны и биэкситоны в нанотрубках

2.4 Ток в нанотрубках

2.5 Сверхпроводимость нанотрубок

2.6 Преобразователи энергии

3. Применение нанотрубок в энергетике

3.1 Использование наноматериалов в атомной энергетике

3.2 Нанотрубки в водородной энергетике

3.3 Солнечная энергетика и нанотехнологии

3.4 Нанотехнологии в электротехнике

3.5 Нанотехнологии в светодиодном освещении

Список использованной литературы

Энергетика – это одна из наиболее важных отраслей промышленности, развитие которой практически сразу отражается на качестве жизни людей. От того, над чем работают сегодня ученые, какие идеи они считают перспективными, какие проекты востребованы коммерческим сектором, во многом зависит состояние энергетики нашей страны и мира в будущем. В настоящее время поиск и изучение альтернативных источников энергии являются одними из самых популярных направлений научных исследований. В дело идет практически всё, что угодно – солнечный свет, ветер, океанские течения, энергия вакуума и т.д. Устройства, способные сами добывать энергию из окружающей среды, могут иметь массу полезных применений.

В своем реферате я хотела бы рассмотреть наиболее успешные и перспективные разработки, которые уже реализуются на практике или будут востребованы в ближайшие годы. Здесь речь пойдет о наноматериалах, разрабатываемых для атомной энергетики, светодиодного освещения, электротехники, сверхпроводимости, водородной и солнечной энергетики.

1. Углеродные нанотрубки

1.1 Углеродные нанотрубки

Протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

1.2 Классификация нанотрубок

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки.

По значению параметров (n, m) различают

· прямые (ахиральные) нанотрубки

· «кресло» или «зубчатые» n=m

· зигзагообразные m=0 или n=0

· спиральные (хиральные) нанотрубки

При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Полупроводниковые свойства у трубки появляются из-за щели на уровне Ферми. Трубка оказывается металлической, если (n-m), делённое на 3, даёт целое число. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло».

1.3 История открытия

Говоря об углеродных нанотрубках, нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. [3], существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. [4] опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature [5] была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича [6] сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода.

В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита.

В работе Л. А. Чернозатонского и др. [7], вышедшая в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости [8].

1.4 Структурные свойства

Нанотрубки обладают упругими свойствами. Имеют дефекты при превышении критической нагрузки. В большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки – с образованием пентагона или септогона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, т.е. с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга – это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб. [9]

1.5 Возможные применения нанотрубок

· механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы

· применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы

· для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках

· капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки

· оптические применения: дисплеи, светодиоды

· медицина (в стадии активной разработки)

· одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

· трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.[10]

· листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные.[10]

1.6 Получение углеродных нанотрубок

В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см 2 . В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде.

Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.

Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1:4 при температуре 750°C в течение 5 мин. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Технология получения нанотрубок довольно сложна, поэтому в настоящее время нанотрубки – дорогой материал: один грамм стоит несколько сот долларов США.

Согласно публикации в журнале NanoLetters, физикам из нескольких китайских исследовательских центров удалось доработать технологию, которой пользовались ученые по всему миру – технологию химического осаждения атомов углерода из газовой среды. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной до 18,5 сантиметров.

Цуньшень Ванг (Xueshen Wang) и его коллеги использовали смесь веществ, которые многим известны отнюдь не в качестве химреактивов: свои рекордные нанотрубки китайцы вырастили в атмосфере паров спирта и воды. Правда, эти вещества находились в несколько нестандартных по алкогольным меркам пропорциях: 4 части спирта на 1 часть воды.

Кроме того, китайские ученые использовали водород, продуваемый через специальный реактор, а также сверхтонкий порошок железа и молибдена – это были зерна для затравки реакции. Также пригодилась им пленка из обычных, меньшей длины, нанотрубок, – для эффективного удаления «мусора» в виде растущих в неправильных направлениях углеродных цилиндров вкупе с аморфным и потому неинтересным углеродом.[11]

2. Электронные свойства нанотрубок

2.1 Электронные свойства графитовой плоскости

· обратная решётка, первая зона Бриллюэна

Все точки K первой зоны Бриллюэна отстоят друг от друга на вектор трансляции обратной решётки, поэтому все они на самом деле эквивалентны. Аналогично, эквивалентны все точки K’.

Оценка статьи:

(пока оценок нет)

Загрузка...

Автор