Ugljične nanocijevi stvaraju novu granu industrije i nauke o materijalima

Supstance kategorije „nano“, odnosno sa česticama manjim od 100 nm, danas su predstavljene tehničkim ugljenikom (čađ) i silika gelom („bela čađ“). Obim proizvodnje ostalih nanomaterijala je neuporedivo manji. Ali sada se situacija mijenja, ugljične nanocijevi su ušle na tržište. ugljične nanocijevi- to su proširene cilindrične strukture koje se sastoje od jedne ili više heksagonalnih (geometrijski sličnih saću) grafitnih ravnina valjanih u cijev

Ugljične mikroepruvete su patentirane u kasno XIX veka, a nanocevi su prvi put dobijene na Moskovskom institutu fizička hemija 1950-ih, zatim u Japanu 1970-ih, i konačno "otkriven" u Japanu 1991. godine. Od tada, interes za cijevi stalno raste.

Nanocijevi nemaju analoga po skupu potrebnih svojstava

  • Veza atoma ugljika međusobno u nanocijevi ima rekordnu snagu. Youngov modul (dimenzija pritiska koja karakteriše otpornost supstance na napetost ili kompresiju) nanocevi je više od 1 TPa (oko 1 milion atmosfera - više od dijamanta). Toplotna provodljivost nanocijevi je osam puta veća od bakrene, a električna provodljivost ne poštuje Ohmov zakon. Gustoća struje u cijevima može biti hiljadu puta veća od gustine pri kojoj bakarna žica eksplodira.

Svjetska proizvodnja nanocijevi premašila je 1.000 tona godišnje. Upotreba materijala napravljenih od ugljeničnih nanocevi ili koji sadrže ugljenične nanocevi postala je novi sektor privrede koji nije zahvaćen globalnom finansijskom krizom.

  • Globalna potražnja za nanocijevima u 2010. procjenjuje se na 10.000 tona. Proizvodi ih više od 40 kompanija. njemački Bayer planira proširenje proizvodnih kapaciteta na 3.000 t/g do 2012. godine, Francuzi Arkema ima fabriku sa godišnjim kapacitetom od 400 tona, kineski CNano - 500 t/g, i belgijski Nanocyl - 400 t/g. Do 500 t/god povećava proizvodnju japanskih karbonskih nanovlakna Showa Denko .
  • Nanostrukturirani materijali su podijeljeni u dvije velike grupe. Materijali jednog su 95-100% nanocijevi. Materijali drugog - nanokompoziti - naprotiv, sadrže malo nanocevi, do 5%.

Materijali nanocevi

Oblik nanocijevi omogućava njihovo slaganje na dva načina: nasumično ili poredano, što utiče na svojstva materijala. Nanocijevi se mogu modifikovati tako što se na njih vežu različite hemijske grupe i nanočestice. Također mijenja svojstva samih nanocijevi i njihovih materijala.

  • Materijali prve grupe uključuju "monolitne" strukture nanocevi; premazi, filmovi i nanopapir iz cijevi; cevna vlakna; "šuma" - nanocijevi raspoređene paralelno jedna na drugu i okomito na podlogu. "Monolitni" materijali se ne koriste široko.

Od isprepletenih dugih nanocevi izdvojena je „guma“ koja je otporna na uništavanje pod cikličkim opterećenjima i temperaturama od –140 do +900 °C. Njegove performanse su daleko superiornije od silikonske gume, koja se smatra najboljim viskoelastičnim materijalom.

  • Premazi, filmovi i nanopapir se dobijaju ili tokom sinteze cevi ili iz njihovih disperzija (koloidnih rastvora). Prva grupa metoda je visokotemperaturna, druga ne zahtijeva zagrijavanje. Najjednostavniji makromaterijal iz cijevi, nanopapir, ima debljinu od 10-30 nm i proizvodi se filtriranjem disperzija.

.

Kompanija Nanocomp Technologies (SAD) prodaje listove nanopapira površine oko 3 m2 i planira otvaranje proizvodnog pogona kapaciteta 4-6 t/g. Implementirane metode za dobijanje rolni nanopapira.

  • Filteri su napravljeni od nanopapira (uključujući i za uklanjanje virusa ili desalinizaciju vode), zaštita od elektromagnetno zračenje, dijelovi grijača, senzori, aktuatori, emiteri polja, elektrode elektrohemijskih uređaja, nosači katalizatora itd.

Prozirni provodljivi filmovi i premazi se takmiče sa čvrstim rastvorom oksida indija i kositra i mogu zameniti ovaj skupi i krhki materijal u elektronici, senzorima i fotonaponu.

  • Američka kompanija Eikos je razvio i od 2005. godine isporučuje sastav Invisicon mastilo za nanošenje tankih filmova nanocevi na podloge.

Činilo se da su vlakna od ugljeničnih nanocijevi idealan materijal za vezivanje "svemirskog lifta" za ekonomično podizanje korisnog tereta u Zemljinu orbitu. Međutim, pokazalo se da je prijenos svojstava nanocijevi na makromaterijale daleko od jednostavnog zadatka.

  • Vlakna se dobijaju na različite načine. "Suhe" metode uključuju formiranje iz aerogela nastalog tokom pirolize ugljovodonika i predenje iz "drva".

Tehnologija izvlačenja i uvrtanja vlakana iz aerogela - "mekog dima" - razvijena je u Univerzitet u Kembridžu . Ugljovodonik se dovodi u reakcionu zonu na visokoj temperaturi, iz koje se formira aerogel (tj. gel u kojem je tečna faza potpuno zamenjena gasovitom). Iz nje se, kao u stara vremena iz kudelje, prede vlakno. U Izraelu je 2010. osnovana kompanija za proizvodnju pancira i zaštitnih premaza od hibridnih kompozita koji sadrže Cambridge nanocijevi.

  • Predenje iz "šume" je kao vađenje svilenih niti iz čahura svilene bube.

.

Metode rastvora za proizvodnju vlakana - ekstruzija disperzija u tekućinu ili izvlačenje iz koloidnih rastvora u superkiselinama (kiseline jače od sumporne).

  • Kompanija Nanocomp Technologies najavio isporuku jakih vlakana dužine do 10 km, za čiju izradu se koriste dugačke nanocijevi. Upletene niti imaju čvrstoću od 3 GPa i već su superiorne u odnosu na kevlar u nekim aspektima.

"Šuma" u smislu skupa svojstava nema analoga - to je elastičan, električno i toplinski provodljiv materijal koji može poprimiti različite oblike i biti modificiran. Godine 2004. opisan je proces superrasta "šume" visokih performansi: dobijanje vrlo čistih ugljeničnih nanocevi dužine do 15-18 mm, što značajno smanjuje njihovu cenu.

  • Japan se sprema da pokrene proizvodnju zasnovanu na procesu supergrowtha. Kapacitet mu je samo 600 g/h jednozidnih nanocevi, ali se uskoro planira povećanje na 10 t/g.

"Šuma" se može koristiti za stvaranje superkondenzatorskih elektroda, emitera polja i solarnih ćelija, kao komponenta kompozita na bazi polimera. Polaganjem "šume" na površinu podloge dobijaju se guste trake. Što se tiče specifične električne provodljivosti, oni mogu nadmašiti metale i naći će primenu u vazduhoplovnoj industriji.

  • Veštačke mišićne trake napravljene od paralelnih nanocevi rade na temperaturama od 80 do 1900 K i, kada se primeni električni potencijal, obezbeđuju veoma veliko izduženje. Ovakvi pretvarači električne energije u mehanička energija mnogo efikasniji od piezokristala.

Materijali s primjesom nanocijevi

Proizvodnja materijala druge grupe - nanokompozita, uglavnom polimera, naglo raste.

  • Uvođenje čak i malih količina ugljeničnih nanocevi značajno menja svojstva polimera, daje električnu provodljivost, povećava toplotnu provodljivost, poboljšava mehaničke karakteristike, hemijsku i termičku stabilnost. Stvoreni su nanokompoziti na bazi desetina različitih polimera, a razvijene su mnoge metode za njihovu pripremu.

Kompozitna vlakna stvorena na bazi polimera sa nanocevima mogu se široko koristiti.

  • Skoro sve kompanije Bayer nanocijevi se koriste za polimerne kompozite. Kompanija Arkema isporučuje svoje nanocijevi za termoplastične kompozite, i Nanocyl - za termoskupljajuće polimere i preprege sa karbonskim vlaknima (prepregovi su polugotovi kompozitni materijali za dalju obradu).

Američka kompanija Hyperion Catalysis Int. , pionir industrijska proizvodnja nanotubes, proizvodi koncentrate za ubrizgavanje u epoksidnu smolu i polimere.

Vrste nanocevi

  • Keramički kompoziti nastaju na bazi mnogih vatrostalnih tvari, međutim, u smislu industrijskog razvoja, primjetno su inferiorni od nanokompozita na bazi polimera. Kao iu slučaju polimera, dodavanje malih količina nanocevi povećava električnu i toplotnu provodljivost, daje sposobnost zaštite od elektromagnetnog zračenja i, što je najvažnije, povećava otpornost keramike na pucanje.

Uvođenje vrlo malih količina nanocijevi u beton povećava njegovu kvalitetu, otpornost na pucanje, čvrstoću i smanjuje skupljanje.

  • Metalni kompoziti se stvaraju od uobičajenih obojenih metala i legura. Najveća pažnja poklanja se bakrenim kompozitima čija su mehanička svojstva dva do tri puta veća od bakra. Mnoga jedinjenja imaju povećanu čvrstoću i tvrdoću, niže koeficijente termičkog širenja i trenja.

Hibridni kompoziti obično sadrže tri komponente: polimerna ili anorganska vlakna (tkanine), nanocijevi i vezivo. Ova klasa uključuje prepregs .

  • Američka kompanija specijalizirana je za proizvodnju preprega sa nanocijevima Zyvex Performance Materials . Nanocijevi povećavaju snagu i krutost preprega za 30-50%. Prepregovi koji se koriste za stvaranje bespilotnih pomorskih izviđačkih čamaca "pirana" .

U Sjedinjenim Državama 2009. godine poletio je prvi avion za akrobaciju u vazduhu sa oklopom motora od kompozita sa nanocevima. Neki elementi okvira aviona F-35 kompanije Martin Lockheed od takvih kompozita, otprilike 100 delova putničkog aviona Boeing 787 trebalo bi da se uradi korišćenjem nanocevi.

  • Kompanija Nanocyl proizvodi epoksidnu smolu s cijevima Epocyl i prepregi pregcyl na bazi staklenih vlakana, karbonskih ili aramidnih vlakana. Aditivi povećavaju otpornost na pucanje za 100%, međuslojnu čvrstoću na smicanje za 15% i smanjuju koeficijent toplinskog širenja. Trebalo bi koristiti kompozite u automobilskoj i avioindustrija, za pancire. Oni smanjuju težinu 49-metarskih lopatica vjetroturbina sa 7,3 na 5,8 tona.

Finska kompanija Amroy Europe Oy korištenjem proizvodnje nanocijevi Bayer , oslobađa epoksidni koncentrat Hybtonite za brodove, vjetroturbine, sportsku opremu itd.

  • Za kanadske preprege Nanoledge koristi cijevi kompanije Bayer , a Nanocomp Technologies proizvodi listove i rolne nanopapira velikih površina.

Hibridni kompoziti mogu pokazati svojstva senzora oštećenja.

  • Biokompoziti su također stvoreni s različitim matricama. Proučavaju se materijali za koštane implantate, filmovi za rast mišićnog i koštanog tkiva, retinalne i epitelne ćelije oka, mreže neurona, kao i biofunkcionalni kompoziti i biosenzori.

Primjeri ne iscrpljuju raznolikost i svojstva materijala s nanocijevima. Njihova područja primjene se šire, počinju određivati ​​nivo razvoja nauke o nanostrukturnim materijalima, opšte stanje nauke i tehnologije pojedinih zemalja.

Eduard Rakov, doktor hemije, šef katedre za nanotehnologiju i nanomaterijale, Ruski hemijsko-tehnički univerzitet im. DI. Mendeljejev

Ugljične nanocijevi sa jednim zidom otkrivene su 1993. U jednom broju časopisa istovremeno su objavljena dva članka Priroda, u kojem su istraživači iz Japana Ichihashi i Sumio Iijima, kao i naučnici iz IBM-a, objavili rezultate o mogućnosti sintetizacije jednozidnih ugljičnih nanocijevi pomoću metalnih katalizatora. Ugljične nanocijevi su šampioni, šampioni među ostalim materijalima.

Razmislite fizička svojstva. Provodljivost. Električna provodljivost ugljičnih nanocijevi je mnogo veća od bakra i srebra. Osim toga, balističko provođenje se opaža na udaljenosti od nekoliko mikrometara. S druge strane, ugljenične nanocevi su izuzetan poluprovodnički materijal koji se po svojim karakteristikama može porediti sa silicijumom. Koristeći jednoslojne ugljične nanocijevi moguće je dobiti tranzistori kod kojih je pokretljivost nosilaca naboja znatno veća od mobilnosti kod tradicionalnih silicijumskih tranzistora. Osim toga, jednozidne nanocijevi omogućavaju dobijanje tranzistora na fleksibilnim i prozirnim podlogama. Jednoslojne ugljenične nanocevi imaju izuzetna termička svojstva, bolja od dijamanta: toplotna provodljivost u cevima je oko 2 puta veća. Pored toga, ugljenične nanocevi sa jednim zidom su efikasan emiter hladnih elektrona u polju.

Termička stabilnost ugljičnih nanocijevi je prilično visoka: možete se, bez straha da ćete ih uništiti, zagrijati do 1500 stepeni Celzijusa, dok njihov glavni konkurent - organski provodnici - počinju da se razbijaju već na temperaturi od oko 150 stepeni Celzijusa. Ugljične nanocijevi su vrlo lagan materijal. S druge strane, imaju visoku specifičnu čvrstoću - 25 puta veću od čelika visoke čvrstoće. Ovo je gotovo jedini materijal od kojeg bi bilo moguće napraviti svemirsko dizalo, povezujući satelit koji se rotira u geostacionarnoj orbiti sa Zemljom, u obliku kabla, na kojem bi bilo moguće podizati terete u svemir. Aditivi ugljeničnih nanocevi polimerima omogućavaju dobijanje kompozita kod kojih se menjaju mehanička svojstva, dobijaju se veoma jaki kompozitni materijali kod kojih varira i električna provodljivost. Ako je materijal prekriven slojem ugljikovih nanocijevi, tada se može dobiti sloj koji će štititi i štititi materijal od elektromagnetnih valova.

Šta se može reći o energetskim primenama: ugljenične nanocevi se mogu koristiti kao anoda u litijumskim baterijama, kao superkondenzatori, a osim toga, efikasni su elementi u solarni paneli- na bojama, kao i na heterospojnicama, gdje je silicijum π-sloj zamijenjen jednoslojnim nanocijevima. Osim toga, moguće je napraviti razne plinske i optičke senzore prilično širokog spektralnog raspona od ugljičnih nanocijevi. Ugljične nanocijevi se mogu koristiti kao prozirne elektrode i tranzistori. Želio bih o tome nešto detaljnije, ali kasnije.

Želeo bih da pričam o provodljivosti ugljeničnih nanocevi. Kao što sam rekao, jednoslojne ugljenične nanocevi su i dobar metalni provodnik i divan poluprovodnik. Vrsta provodljivosti određena je grupom simetrije. Ako znamo indekse kiralnosti, onda možemo predvidjeti metalna svojstva ugljične nanocijevi. Ako je razlika između ovih indeksa 0 ili višekratnik od 3, dobijamo ugljične nanocijevi koje imaju metalna svojstva, dok će sve ostale nanocijevi biti poluvodičke. Očigledno, 1/3 ugljeničnih nanocevi su metalne, a 2/3 poluprovodničke. Nažalost, nijedna od trenutno dostupnih metoda ne omogućava sintetizaciju ugljičnih nanocijevi s određenom kiralnošću. Što reći o kiralnosti - nemoguće je dobiti ugljične nanocijevi čak i sa određenom metalnošću.

Prema metodama atomizacije ugljika, sve metode za sintezu ugljičnih nanocijevi mogu se podijeliti na fizičke i kemijske. Fizička metoda se zasniva na isparavanju i sublimaciji ugljika. Znamo da grafit ima veoma nizak pritisak. zasićene pare, dakle, da bi se grafit ispario, mora se zagrijati na temperaturu iznad 3000 kelvina. Za to se može koristiti solarna energija, indukcijsko grijanje, laserska ablacija ili pražnjenje električnog luka. Ova metoda je bila vrlo popularna u ranim danima istraživanja ugljikovih nanocijevi, ali, nažalost, visoke temperature ne dozvoljavaju da se kontrolišu svojstva rezultirajućeg materijala. Stoga je posljednjih godina prisutan trend proučavanja jednoslojnih ugljikovih nanocijevi – tačnije metoda njihove proizvodnje – kemijskim metodama. Ova metoda se temelji na razgradnji ugljikovih spojeva - to mogu biti ugljikovodici, alkoholi, ketoni, bilo koji organski, ugljični monoksid.

Zauzvrat bih podijelio kemijske metode na sintezu ugljičnih nanocijevi na supstratima iu gasnoj fazi. Sinteza ugljičnih nanocijevi na supstratima je najčešća metoda. Omogućava vam da dobijete ugljične nanocijevi: možete uzeti inertni supstrat, formirati nanočestice katalizatora na njemu, staviti takav supstrat u reaktor za određeno vrijeme(obično 5, 10, 20 ili 30 minuta), a zatim uživajte u slikama dobijenim na vašoj podlozi u elektronskom mikroskopu. S druge strane, metoda aerosola nije zasnovana na korištenju supstrata, a svi procesi formiranja ugljičnih nanocijevi odvijaju se u plinskoj fazi. Ovdje postoji ozbiljno vremensko ograničenje, jer između ulaza i izlaza pare u reaktor prođe oko 10-12 sekundi. Za to vrijeme trebalo bi se dogoditi sve: razgradnja prekursora katalizatora (obično se u takvim metodama koristi ili željezni pentakarbonil ili ferocen), zatim formiranje nanometarskih katalitičkih čestica, od 1 do 5 nanometara, razgradnja ili razgradnja ugljika komponente na površini katalizatora i rast ugljičnih nanocijevi . Sve traje 12 sekundi.

Metoda aerosola za proučavanje ugljeničnih nanocevi je prvi put predložena 1999. godine na Univerzitetu u Hjustonu. Također sam bio uključen u sintezu ugljičnih nanocijevi metodom aerosola oko 13 godina. Smatram da je ova metoda najperspektivnija od svih, jer omogućava dobivanje visokokvalitetnih ugljikovih nanocijevi bez neiskorištenih katalitičkih čestica, bez amorfnog ugljika, odnosno proizvoda koji je spreman za široku upotrebu kada izađe iz reaktora. Nakon reaktora, ugljenične nanocevi se talože na filter. Zatim se mogu prenijeti na bilo koju drugu podlogu. Ovaj proces traje doslovno nekoliko sekundi, ali vam omogućava da vrlo brzo dobijete visokokvalitetne prozirne elektrode.

U našem radu koristili smo ugljenične nanocevi u mnogim oblastima, od filtera do elektronike. Navest ću nekoliko primjera. Aerosol filteri. Kroz film ugljičnih nanocijevi, mlaz plina koji sadrži čestice aerosola kojih se želimo riješiti, prolazi prilično lako bez stvaranja otpora. Osim toga, nanopore omogućavaju filtriranje gotovo svih objekata. Izmjerili smo karakteristike takvog filtera i otkrili da je faktor kvalitete filtera napravljenih od jednoslojnih ugljičnih nanocijevi za red veličine veći od komercijalno dostupnih analoga. Osim toga, koristili smo ugljične nanocijevi kao elektrohemijske senzore - standardni dopaminski testovi su nam omogućili da odredimo nivo osjetljivosti manji od 100 millinanomola u prilično širokom rasponu - oko 4 reda veličine u koncentraciji. Film od ugljeničnih nanocevi je izuzetan laserski apsorber koji omogućava dobijanje impulsa od 200 femtosekundi. Osim toga, ugljenične nanocijevi se mogu koristiti kao mjerač protoka, grijač zraka, žarulja sa žarnom niti i drugi uređaji. Također smo kreirali termoakustični zvučnik koristeći slobodno suspendirane karbonske nanocijevi. Osim toga, prozirne elektrode imaju odlična svojstva, za koja vjerujem da će uskoro biti na tržištu, jer prozirne elektrode na bazi jednoslojnih ugljičnih nanocijevi imaju odlične karakteristike, uporedive sa indijum oksidom dopiranim kalajem.

Ugljične nanocijevi sa jednim zidom mogu i najvjerovatnije će se koristiti u elektronici kao prozirne elektrode. Na engleskom se to zove ITO zamjena- zamjena indijum oksida dopiranog kalajem, to je materijal koji se koristi u 75% mobilnih telefona i gadžeta. Poznato je da je indijum rijetka zemlja, osim toga, indijev oksid dopiran kositrom je prilično krhak materijal koji se ne može koristiti za fleksibilnu i prozirnu elektroniku, dok jednozidne ugljične nanocijevi, tačnije filmovi napravljeni od njih, mogu biti savijen u nekoliko desetina hiljada puta bez gotovo nikakve promjene površinskog otpora. Osim toga, od našeg materijala mogu se napraviti tankoslojni tranzistori sa efektom polja, koji imaju izvanredne karakteristike na nivou tradicionalnih silicijumskih tehnologija, a ponekad ih čak i prevazilaze, sa odnosom struje uključeno-isključeno od 106 i 108 i sa pokretljivost nosioca naboja reda veličine 1000 ili više kvadratnih centimetara po voltu u sekundi.

Metoda aerosola za sintezu ugljičnih nanocijevi i pripremu filmova nanesenih na filter je jedinstvena prilika za pripremu komponenti za fleksibilnu i transparentnu elektroniku. Taloženje se odvija na sobnoj temperaturi, ova tehnologija ne zahtijeva vakuum, prilično je brza i jeftina. Naš cilj je stvoriti veliku proizvodnju karbonskih nanocijevi sa mogućnošću upotrebe tehnologije rola za upotrebu u fleksibilnoj i transparentnoj elektronici.

Ugljične nanocijevi (CNT) su obećavajući materijal koji se planira koristiti u širokom spektru industrija - od proizvodnje bicikala do mikroelektronike. Međutim, čak i minimalno oštećenje atomske strukture CNT-a dovodi do pada njihove snage za 50%. Ovo dovodi u pitanje mogućnost izgradnje svemirskog lifta od materijala baziranog na ugljičnim nanocijevima.

16.10.2015, Andrej Barabaš 29

Tim istraživača sa Univerziteta Stanford je možda napravio naučni proboj koji bi mogao promijeniti živote amputiranih. Naučnici su razvili umjetnu zamjenu za kožu koja može osjetiti dodir i prenijeti te informacije nervnom sistemu. Ova tehnologija bi se mogla koristiti za stvaranje futurističkih proteza koje će biti ugrađene u ljudsko tijelo. nervni sistem. Osim toga, ova tehnologija će omogućiti ljudima ne samo da osete dodir, već i da odrede svoju snagu.

Ministarstvo prosvjete i nauke Ruska Federacija

Federalni vladina agencija viši stručno obrazovanje

Ruski univerzitet hemijske tehnologije D. I. Mendeljejev

Fakultet za naftnu hemiju i polimerne materijale

Katedra za hemijsku tehnologiju ugljeničnih materijala


IZVJEŠTAJ O PRAKSI

na temu UGLJIČNE NANOCEVICE I NANOVOLCI


Završio: Marinin S. D.

Provjerio: Doktor hemijskih nauka, Bukharkina T.V.


Moskva, 2013


Uvod


Oblast nanotehnologije se u svetu smatra ključnom temom za tehnologije 21. veka. Mogućnosti njihove svestrane primene u oblastima privrede kao što su proizvodnja poluprovodnika, medicina, senzorska tehnologija, ekologija, automobilska industrija, Građevinski materijali, biotehnologija, hemija, avijacija i astronautika, mašinstvo i tekstilna industrija, nose ogroman potencijal rasta. Korištenjem nanotehnoloških proizvoda uštedjet će se na potrošnji sirovina i energije, smanjiti emisije u atmosferu i na taj način doprinijeti održivom razvoju privrede.

Razvoj u oblasti nanotehnologija sprovodi nova interdisciplinarna oblast - nanonauka, čija je jedna od oblasti nanohemija. Nanohemija je nastala na prijelazu stoljeća, kada se činilo da je sve u hemiji već otvoreno, sve je jasno, a preostalo je samo da se stečeno znanje iskoristi za dobrobit društva.

Hemičari su oduvijek znali i dobro razumjeli važnost atoma i molekula kao osnovnih građevnih blokova ogromne kemijske osnove. Istovremeno, razvojem novih istraživačkih metoda, poput elektronske mikroskopije, visokoselektivne masene spektroskopije, u kombinaciji sa posebnim metodama pripreme uzoraka, omogućeno je dobijanje informacija o česticama koje sadrže mali, manji od stotinu, broj atoma. .

Slične čestice veličine oko 1 nm (10-9 m je samo milimetar podijeljen sa milion) pronašle su neobične, teško predvidljive Hemijska svojstva.

Najpoznatije i za većinu ljudi najrazumljivije su sljedeće nanostrukture kao što su fulereni, grafen, ugljične nanocijevi i nanovlakna. Svi se sastoje od atoma ugljika međusobno povezanih, ali njihov oblik značajno varira. Grafen je ravan, jednoslojni, "veo" atoma ugljika u SP 2 hibridizacija. Fulereni su zatvoreni poligoni, koji pomalo podsjećaju na fudbalsku loptu. Nanocijevi su cilindrična šuplja volumetrijska tijela. Nanovlakna mogu biti čunjevi, cilindri, zdjele. U svom radu pokušaću da istaknem upravo nanocevi i nanovlakna.


Struktura nanocevi i nanovlakna


Šta su ugljenične nanocevi? Ugljične nanocijevi su ugljični materijal koji je cilindrična struktura prečnika reda nekoliko nanometara, koja se sastoji od grafitnih ravnina umotanih u cijev. Grafitna ravnina je neprekidna heksagonalna mreža s atomima ugljika na vrhovima šesterokuta. Ugljične nanocijevi mogu varirati po dužini, prečniku, kiralnosti (simetrije valjane grafitne ravni) i broju slojeva. Kiralnost<#"280" src="doc_zip1.jpg" />



Jednozidne nanocijevi. Ugljične nanocijevi sa jednim zidom (SWCNT) su podvrsta ugljičnih nanovlakna sa strukturom formiranom preklapanjem grafena u cilindar čije su strane spojene bez šava. Umotavanje grafena u cilindar bez šava moguće je samo na konačan broj načina, koji se razlikuju u smjeru dvodimenzionalnog vektora koji povezuje dvije ekvivalentne točke na grafenu koje se poklapaju kada se umota u cilindar. Ovaj vektor se naziva vektor kiralnosti jednoslojne ugljenične nanocevi. Dakle, jednoslojne ugljenične nanocevi se razlikuju po prečniku i kiralnosti. Promjer jednozidnih nanocijevi, prema eksperimentalnim podacima, varira od ~ 0,7 nm do ~ 3-4 nm. Dužina jednozidne nanocevi može doseći 4 cm Postoje tri oblika SWCNT-a: akiralni tip "stolice" (dve strane svakog šestougla su orijentisane okomito na osu CNT), akiralni "cik-cak" tip (dve strane svake heksagone su orijentisane paralelno sa CNT osi), i kiralne ili spiralne (svaka strana heksagona nalazi se u odnosu na CNT os pod uglom drugačijim od 0 i 90 º ). Dakle, akiralni CNT tipa "fotelja" karakteriziraju indeksi (n, n), tipa "cik-cak" - (n, 0), kiralni - (n, m).

Višezidne nanocevi. Višeslojne ugljenične nanocevi (MWCNT) su podvrsta ugljeničnih nanovlakna sa strukturom formiranom od nekoliko ugnežđenih jednoslojnih ugljeničnih nanocevi (vidi sliku 2). Vanjski promjer nanocijevi sa više zidova varira u širokom rasponu od nekoliko nanometara do desetina nanometara.

Broj slojeva u MWCNT najčešće nije veći od 10, ali u nekim slučajevima dostiže i nekoliko desetina.

Ponekad se među višeslojnim nanocevima kao poseban tip izdvajaju dvoslojne nanocevi. Struktura tipa "Ruske lutke" je skup koaksijalno ugniježđenih cilindričnih cijevi. Drugi tip ove strukture je skup ugniježđenih koaksijalnih prizmi. Konačno, posljednja od ovih struktura podsjeća na svitak (scroll). Za sve strukture na sl. karakteristična vrijednost udaljenosti između susjednih slojeva grafena, blizu vrijednosti od 0,34 nm, svojstvena udaljenosti između susjednih ravni kristalnog grafita<#"128" src="doc_zip3.jpg" />


Ruska Matrjoška Roll Papier-mache


Ugljična nanovlakna (CNF) su klasa materijala u kojima su zakrivljeni slojevi grafena ili nanokonusi presavijeni u jednodimenzionalni filament čija se unutrašnja struktura može okarakterizirati kutom? između slojeva grafena i ose vlakana. Jedna uobičajena razlika je između dva glavna tipa vlakana: riblje kosti, sa gusto zbijenim konusnim slojevima grafena i velikim α, i bambusa, sa cilindričnim čašastim slojevima grafena i malim α, koji su više poput višeslojnih ugljičnih nanocijevi.<#"228" src="doc_zip4.jpg" />


a - nanovlakna "kovanica";

b - nanovlakna "struktura božićnog drvca" (slaganje čunjeva, "riblja kost");

c - nanofiber "svež čaša" ("sjenila za lampe");

d - nanocijev "Ruska matrjoška";

e - nanovlakna u obliku bambusa;

e - nanovlakna sa sfernim presjecima;

g - nanovlakna sa poliedarskim presjecima

Izolacija ugljičnih nanocijevi kao zasebne podvrste posljedica je činjenice da se njihova svojstva značajno razlikuju na bolje od svojstava drugih vrsta ugljičnih nanovlakna. To se objašnjava činjenicom da sloj grafena, koji čini zid nanocijevi cijelom svojom dužinom, ima visoku vlačnu čvrstoću, toplinsku i električnu provodljivost. Nasuprot tome, prijelazi iz jednog sloja grafena u drugi se javljaju u ugljičnim nanovlaknima koja se kreću duž zida. Prisutnost međuslojnih kontakata i velika defektnost strukture nanovlakna značajno narušavaju njihove fizičke karakteristike.


Priča


Teško je govoriti o istoriji nanocevi i nanovlakna odvojeno, jer ovi proizvodi često prate jedni druge tokom sinteze. Jedan od prvih podataka o proizvodnji ugljičnih nanovlakna vjerovatno je patent iz 1889. za proizvodnju cjevastih oblika ugljika nastalih tokom pirolize mješavine CH4 i H2 u željeznom lončiću od strane Hughesa i Chambersa. Koristili su mješavinu metana i vodika za uzgoj ugljičnih vlakana pirolizom plina, nakon čega je uslijedilo taloženje ugljika. O dobivanju ovih vlakana zasigurno je postalo moguće govoriti mnogo kasnije, kada je postalo moguće proučavati njihovu strukturu pomoću elektronskog mikroskopa. Prvo zapažanje karbonskih nanovlakna pomoću elektronske mikroskopije obavili su ranih 1950-ih sovjetski naučnici Raduškevič i Lukjanovič, koji su objavili članak u Sovjetskom časopisu za fizičku hemiju koji pokazuje šuplja grafitna vlakna ugljika prečnika 50 nanometara. Početkom 1970-ih, japanski istraživači Koyama i Endo uspjeli su proizvesti karbonska vlakna taloženjem iz pare (VGCF) prečnika 1 µm i dužine veće od 1 mm. Kasnije, početkom 1980-ih, Tibbets u SAD-u i Benisad u Francuskoj nastavili su da poboljšavaju proces karbonskih vlakana (VGCF). U SAD-u je dublje istraživanje sinteze i svojstava ovih materijala za praktičnu primjenu sproveo R. Terry K. Baker i bilo je motivirano potrebom da se suzbije rast ugljičnih nanovlakna zbog uporni problemi uzrokovano nakupljanjem materijala u raznim komercijalnim procesima, posebno u oblasti prerade nafte. Prvi pokušaj komercijalizacije karbonskih vlakana uzgojenih iz gasne faze napravio je japanska kompanija Nikosso 1991. godine pod brendom Grasker, te je iste godine Ijima objavio svoj čuveni članak u kojem izvještava o otkriću karbonskih nanocijevi.<#"justify">Potvrda


Trenutno se uglavnom koriste sinteze na bazi pirolize ugljovodonika i sublimacije i desublimacije grafita.

Sublimacija-desublimacija grafitamože se implementirati na nekoliko načina:

  • metoda luka,
  • zračenjem (upotreba solarnih koncentratora ili lasersko zračenje),
  • lasersko-termalni,
  • zagrijavanje snopom elektrona ili jona,
  • sublimacija plazme,
  • otporno grijanje.

Mnoge od ovih opcija imaju svoje varijacije. Hijerarhija nekih varijanti metode električnog luka prikazana je na dijagramu:


Trenutno je najčešća metoda termičko raspršivanje grafitnih elektroda u plazmi lučnog pražnjenja. Proces sinteze se odvija u komori ispunjenoj helijumom pod pritiskom od oko 500 mm Hg. Art. Prilikom sagorijevanja plazme dolazi do intenzivnog termičkog isparavanja anode, dok se na krajnjoj površini katode formira naslaga u kojoj se formiraju ugljične nanocijevi. Maksimalan broj nanocevi se formira kada je struja plazme minimalna i njena gustina je oko 100 A/cm2. U eksperimentalnim postavkama napon između elektroda je oko 15–25 V, struja pražnjenja je nekoliko desetina ampera, a razmak između krajeva grafitnih elektroda je 1–2 mm. Tokom procesa sinteze, oko 90% mase anode se taloži na katodi. Rezultirajuće brojne nanocijevi imaju dužinu od oko 40 μm. Oni rastu na katodi okomito na ravnu površinu njenog kraja i skupljaju se u cilindrične grede prečnika oko 50 μm.

Snopovi nanocijevi redovno oblažu površinu katode, formirajući strukturu saća. Sadržaj nanocevi u naslagama ugljenika je oko 60%. Da bi se komponente odvojile, nastali talog se stavlja u metanol i obrađuje ultrazvukom. Rezultat je suspenzija koja se nakon dodavanja vode odvaja u centrifugi. Velike čestice prianjaju na zidove centrifuge, dok nanocijevi ostaju da lebde u suspenziji. Zatim se nanocevi isperu u azotnoj kiselini i osuše u gasovitom toku kiseonika i vodonika u omjeru 1:4 na temperaturi od 750°C. 0C 5 minuta. Kao rezultat takve obrade dobija se lagani porozan materijal koji se sastoji od brojnih nanocevi prosečnog prečnika 20 nm i dužine 10 μm. Do sada je maksimalna postignuta dužina nanovlakna 1 cm.


Piroliza ugljovodonika


U pogledu izbora početnih reagenasa i metoda vođenja procesa, ova grupa ima značajan značaj više opcije od metoda sublimacije i desublimacije grafita. Pruža precizniju kontrolu nad procesom formiranja CNT-a, pogodniji je za proizvodnju velikih razmjera i omogućava proizvodnju ne samo samih ugljikovih nanomaterijala, već i određenih struktura na podlogama, makroskopskih vlakana koja se sastoje od nanocijevi, kao i kompozitnih materijala, posebno modificirani karbonskim CNT, karbonskim vlaknima i karbonskim papirom, keramičkim kompozitima. Koristeći nedavno razvijenu nanosfersku litografiju, bilo je moguće dobiti fotonske kristale iz CNT-a. Na ovaj način je moguće izolovati CNT određenog prečnika i dužine.

Prednosti pirolitičke metode, osim toga, uključuju mogućnost njene implementacije za matričnu sintezu, na primjer, korištenjem poroznih aluminijskih membrana ili molekularnih sita. Koristeći aluminijum oksid, moguće je dobiti razgranate CNT i CNT membrane. Glavni nedostaci matrične metode su visoka cijena mnogo matrica, njihova mala veličina i potreba za upotrebom aktivnih reagensa i teški uslovi za rastvaranje matrica.

Za sintezu CNT-a i CNF-a najčešće se koristi piroliza tri ugljovodonika, metana, acetilena i benzena, kao i termička razgradnja (disproporcionisanje) CO. Metan, poput ugljičnog monoksida, nije sklon razgradnji na niskim temperaturama (nekatalitička razgradnja metana počinje na ~900 o C), što omogućava sintezu SWCNT-a s relativno malom količinom nečistoća amorfnog ugljika. Ugljen monoksid se ne raspada na niskim temperaturama iz drugog razloga: kinetičkog. Razlika u ponašanju različitih supstanci vidljiva je na Sl. 94.

Prednosti metana u odnosu na druge ugljovodonike i ugljični monoksid uključuju činjenicu da se njegova piroliza sa stvaranjem CNT-a ili CNF-a kombinuje sa oslobađanjem H. 2i može se koristiti u postojećoj proizvodnji H2 .


Katalizatori


Katalizatori za formiranje CNT-a i CNF-a su Fe, Co i Ni; promoteri, koji se unose u manjim količinama, uglavnom su Mo, W ili Cr (rjeđe - V, Mn, Pt i Pd), nosioci katalizatora su nehlapljivi oksidi i hidroksidi metala (Mg, Ca, Al, La, Si , Ti, Zr), čvrste otopine, neke soli i minerali (karbonati, spineli, perovskiti, hidrotalcit, prirodne gline, dijatomiti), molekularna sita (posebno zeoliti), silika gel, aerogel, aluminijski gel, porozni Si i amorfni C Istovremeno, V, Cr, Mo, W, Mn i, vjerovatno, neki drugi metali u uslovima pirolize su u obliku jedinjenja - oksida, karbida, metalata itd.

Plemeniti metali (Pd, Ru, PdSe), legure (mišmetal, permaloj, nihrom, monel, nerđajući čelik, Co-V, Fe-Cr, Fe-Sn, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-C, Co-Fe -Ni, tvrda legura Co-WC, itd.), CoSi 2i CoGe 2, LaNi 5, MmNi 5(Mm - mišmetal), legure Zr i drugih metala koji tvore hidrid. Naprotiv, Au i Ag inhibiraju stvaranje CNT-a.

Katalizatori se mogu nanositi na silicijum obložen tankim oksidnim filmom, na germanijum, neke vrste stakla i podloge od drugih materijala.

Porozni silicijum dobijen elektrohemijskim jetkanjem monokristalnog silicijuma u rastvoru određenog sastava smatra se idealnim nosačem katalizatora. Porozni silicij može sadržavati mikropore (< 2 нм), мезопоры и макропоры (>100 nm). Za dobivanje katalizatora koriste se tradicionalne metode:

  • miješanje (rijetko sinterovanje) praha;
  • taloženje ili elektrohemijsko taloženje metala na podlogu, nakon čega sledi transformacija kontinuiranog tankog filma u ostrva nano veličine (koristi se i sloj po sloj taloženja nekoliko metala;
  • hemijsko taloženje pare;
  • potapanje supstrata u rastvor;
  • nanošenje suspenzije čestica katalizatora na podlogu;
  • nanošenje otopine na rotirajuću podlogu;
  • impregnacija inertnih prahova solima;
  • koprecipitacija oksida ili hidroksida;
  • jonska izmjena;
  • koloidne metode (sol-gel proces, metoda reverznih micela);
  • termička razgradnja soli;
  • sagorevanje metalnih nitrata.

Pored dvije gore opisane grupe, razvijen je veliki broj drugih metoda za dobivanje CNT-a. Mogu se klasificirati prema korištenim izvorima ugljika. Polazna jedinjenja su: grafit i drugi oblici čvrstog ugljenika, organska jedinjenja, neorganska jedinjenja, organometalna jedinjenja. Grafit se može pretvoriti u CNT na nekoliko načina: intenzivnim mljevenjem kuglicom nakon čega slijedi žarenje na visokoj temperaturi; elektroliza rastopljenih soli; cijepanje na zasebne grafenske listove i naknadno spontano uvijanje ovih listova. Amorfni ugljenik se može pretvoriti u CNT kada se obrađuje u hidrotermalnim uslovima. Od čađe (čađi) CNT su dobijeni visokotemperaturnom transformacijom sa ili bez katalizatora, kao i interakcijom sa vodenom parom pod pritiskom. Nanotubularne strukture sadržane su u proizvodima vakuumskog žarenja (1000 o C) filmovi ugljika nalik dijamantu u prisustvu katalizatora. Konačno, katalitička visokotemperaturna transformacija fulerita C 60ili njegov tretman u hidrotermalnim uslovima takođe dovodi do stvaranja CNT-a.

Ugljične nanocijevi postoje u prirodi. Grupa meksičkih istraživača pronašla ih je u uzorcima nafte uzetim sa dubine od 5,6 km (Velasco-Santos, 2003). Prečnik CNT se kretao od nekoliko nanometara do desetina nanometara, a dužina je dostigla 2 μm. Neki od njih bili su ispunjeni raznim nanočesticama.


Pročišćavanje ugljičnih nanocijevi


Nijedna od uobičajenih metoda za dobijanje CNT-a ne dozvoljava da se izoluju u njihovom čistom obliku. Nečistoće u NT mogu biti fulereni, amorfni ugljenik, grafitizirane čestice, čestice katalizatora.

Postoje tri grupe metoda CNT čišćenja:

  1. destruktivno,
  2. nedestruktivno,
  3. kombinovano.

Upotreba destruktivnih metoda hemijske reakcije, koji mogu biti oksidativni ili reduktivni i zasnovani su na razlikama u reaktivnosti različitih oblika ugljika. Za oksidaciju se koriste ili otopine oksidacijskih sredstava ili plinoviti reagensi; za redukciju se koristi vodik. Metode omogućavaju izolaciju CNT-a visoke čistoće, ali su povezane s gubitkom cijevi.

Nedestruktivne metode uključuju ekstrakciju, flokulaciju i selektivnu precipitaciju, mikrofiltraciju unakrsnog toka, ekskluzijsku hromatografiju, elektroforezu, selektivnu reakciju sa organskim polimerima. Ove metode su po pravilu neefikasne i neefikasne.


Svojstva ugljičnih nanocijevi


Mehanički. Nanocevi su, kako je rečeno, izuzetno jak materijal, kako na zatezanje tako i na savijanje. Štaviše, pod dejstvom mehaničkih naprezanja koji prelaze kritične, nanocevi se ne „lome“, već se preuređuju. Na osnovu takvog svojstva nanocijevi kao što je visoka čvrstoća, može se tvrditi da jesu najbolji materijal za kabl svemirskog lifta ovog trenutka. Kao što pokazuju rezultati eksperimenata i numeričke simulacije, Youngov modul jednoslojne nanocijevi dostiže vrijednosti reda od 1-5 TPa, što je za red veličine veće od čelika. Grafikon ispod prikazuje poređenje između nanocijevi sa jednim zidom i čelika visoke čvrstoće.



Procjenjuje se da kabl svemirskog lifta može izdržati mehaničko opterećenje od 62,5 GPa

Vlačni dijagram (ovisnost mehaničkog naprezanja ? od relativnog izduženja?)

Da bismo demonstrirali značajnu razliku između trenutno najjačih materijala i ugljičnih nanocijevi, hajde da uradimo sledeći misaoni eksperiment. Zamislite da će, kao što se ranije pretpostavljalo, određena klinasta homogena struktura koja se sastoji od najtrajnijih materijala do sada poslužiti kao kabl za svemirsko dizalo, tada će prečnik kabla na GEO (geostacionarnoj Zemljinoj orbiti) biti oko 2 km i suzit će se na 1 mm na površini Zemlje. U ovom slučaju, ukupna masa će biti 60 * 1010 tona. Ako su kao materijal korištene ugljične nanocijevi, tada je prečnik kabla na GEO bio 0,26 mm i 0,15 mm na površini Zemlje, pa je prema tome ukupna masa bila 9,2 tone. Kao što se vidi iz gore navedenih činjenica, karbonska nanovlakna je samo materijal koji je potreban za izgradnju kabla, čiji će stvarni prečnik biti oko 0,75 m, da bi izdržao i elektromagnetski sistem koji se koristi za pogon kabine svemirskog lifta.

Električni. Zbog male veličine ugljikovih nanocijevi, tek 1996. godine bilo je moguće direktno izmjeriti njihove specifične električni otporčetvorosmerni metod.

Zlatne pruge su nanesene na poliranu površinu od silicijum oksida u vakuumu. Između njih su deponovane nanocevi dužine 2-3 µm. Zatim su četiri volframova provodnika debljine 80 nm nanesena na jednu od nanocijevi odabranih za mjerenje. Svaki od volframovih provodnika je imao kontakt sa jednom od zlatnih traka. Udaljenost između kontakata na nanocijevi bila je od 0,3 do 1 μm. Direktna mjerenja su to pokazala otpornost nanocijevi mogu značajno varirati - od 5,1 * 10 -6do 0,8 ohm/cm. Minimalna otpornost je za red veličine niža od otpornosti grafita. Većina nanocevi ima metalnu provodljivost, dok manji deo pokazuje svojstva poluprovodnika sa zazorom od 0,1 do 0,3 eV.

Francuski i ruski istraživači (iz IPTM RAS, Chernogolovka) otkrili su još jedno svojstvo nanocevi, a to je supravodljivost. Izmjerili su strujno-naponske karakteristike pojedinačne jednoslojne nanocijevi promjera ~1 nm, smotane u snop veliki broj jednozidne nanocevi, kao i pojedinačne višezidne nanocevi. Uočena je supravodljiva struja na temperaturi blizu 4K između dva supravodljiva metalna kontakta. Osobine prijenosa naboja u nanocijevi bitno se razlikuju od onih koje su svojstvene običnim, trodimenzionalnim provodnicima i, očigledno, objašnjene su jednodimenzionalnom prirodom prijenosa.

Takođe, de Girom sa Univerziteta u Lozani (Švajcarska) otkrio je zanimljivu osobinu: oštru (oko dva reda veličine) promenu provodljivosti sa malim, za 5-10o, savijanjem jednoslojne nanocevi. Ovo svojstvo može proširiti opseg nanocijevi. S jedne strane, nanocijev se ispostavlja kao gotov visokoosjetljivi pretvarač mehaničkih vibracija u električni signal i obrnuto (u stvari, to je telefonska slušalica duga nekoliko mikrona i prečnika oko nanometar), a , s druge strane, radi se o gotovo gotovom senzoru najmanjih deformacija. Takav senzor bi se mogao koristiti u uređajima koji prate stanje mehaničkih komponenti i dijelova od kojih ovisi sigurnost ljudi, na primjer, putnika u vozovima i avionima, osoblja nuklearnih i termoelektrana itd.

Kapilara. Eksperimenti su pokazali da otvorena nanocijev ima kapilarna svojstva. Da biste otvorili nanocijev, potrebno je ukloniti gornji dio - čep. Jedan od načina uklanjanja je žarenje nanocijevi na temperaturi od 850 0C nekoliko sati u mlazu ugljičnog dioksida. Kao rezultat oksidacije, oko 10% svih nanocijevi je otvoreno. Drugi način uništavanja zatvorenih krajeva nanocevi je izlaganje koncentrovanoj azotnoj kiselini u trajanju od 4,5 sata na temperaturi od 2400 C. Kao rezultat ovog tretmana, 80% nanocevi postaje otvoreno.

Prva istraživanja kapilarnih fenomena pokazala su da tečnost prodire unutar kanala nanocevi ako je površinski napon ne veći od 200 mN/m. Stoga se za uvođenje bilo koje tvari u nanocijevi koriste otapala s niskim površinskim naponom. Na primjer, koncentrirana dušična kiselina, čija je površinska napetost niska (43 mN/m), koristi se za uvođenje određenih metala u kanal nanocijevi. Zatim se vrši žarenje na 4000 C tokom 4 sata u atmosferi vodika, što dovodi do redukcije metala. Na taj način su dobijene nanocijevi koje sadrže nikl, kobalt i željezo.

Zajedno s metalima, ugljične nanocijevi mogu biti ispunjene plinovitim tvarima, kao što je molekularni vodonik. Ova sposobnost je od praktične važnosti, jer otvara mogućnost sigurnog skladištenja vodonika, koji se može koristiti kao ekološki prihvatljivo gorivo u motorima. unutrašnjim sagorevanjem. Takođe, naučnici su mogli da postave čitav lanac fulerena sa atomima gadolinijuma koji su već ugrađeni u njih (vidi sliku 5).


Rice. 5. Unutar C60 unutar nanocijevi sa jednim zidom


Kapilarni efekti i punjenje nanocijevi

nanotube karbonska piroliza električni luk

Ubrzo nakon otkrića ugljičnih nanocijevi, pažnja istraživača je skrenuta na mogućnost punjenja nanocijevi. razne supstance, što nije samo od naučnog interesa, već i ima veliki značaj za primijenjene probleme, budući da se nanocijev ispunjena provodljivim, poluvodičkim ili supravodljivim materijalom može smatrati najmanjim od svih do sada poznatih mikroelektronskih elemenata. Znanstveni interes za ovaj problem povezan je s mogućnošću dobivanja eksperimentalno potkrijepljenog odgovora na pitanje: pri kojim minimalnim veličinama kapilarni fenomeni zadržavaju svoje karakteristike svojstvene makroskopskim objektima? Po prvi put je ovaj problem razmatran u problemu povlačenja HP ​​molekula unutar nanocevi pod dejstvom sila polarizacije. Pokazalo se da kapilarni fenomeni koji dovode do uvlačenja tekućina koje vlaže unutrašnju površinu cijevi u kapilaru zadržavaju svoju prirodu nakon prelaska na cijevi nanometarskog promjera.

Kapilarni fenomeni u ugljičnim nanocijevima prvi put su eksperimentalno izvedeni u radu gdje je uočen efekat kapilarnog povlačenja rastaljenog olova u nanocijevi. U ovom eksperimentu, između elektroda prečnika 0,8 i dužine 15 cm zapaljen je električni luk namenjen za sintezu nanocevi pri naponu od 30 V i struji od 180–200 A. Sloj materijala 3–4 cm visok nastao na površini katode kao rezultat termičke destrukcije površine anode uklonjen je iz komore i držan 5 h na T = 850°C u struji ugljičnog dioksida. Ova operacija, uslijed koje je uzorak izgubio oko 10% mase, doprinijela je prečišćavanju uzorka od čestica amorfnog grafita i otkrivanju nanocijevi u talogu. Centralni dio precipitata koji sadrži nanocijevi stavljen je u etanol i obrađen ultrazvukom. Produkt oksidacije dispergovan u hloroformu nanesen je na karbonsku traku sa rupama za posmatranje pomoću elektronskog mikroskopa. Kako su zapažanja pokazala, cijevi koje nisu bile podvrgnute obradi imale su bešavnu strukturu, glave ispravan oblik i prečnika od 0,8 do 10 nm. Kao rezultat oksidacije, pokazalo se da oko 10% nanocijevi ima oštećene kapice, a neki od slojeva pri vrhu su otkinuti. Uzorak koji je sadržavao nanocijevi namijenjene promatranju ispunjen je u vakuumu kapljicama rastopljenog olova koje su dobivene zračenjem metalne površine snopom elektrona. U ovom slučaju, na vanjskoj površini nanocijevi uočene su kapljice olova veličine 1 do 15 nm. Nanocevi su žarene na vazduhu na T = 400°S (iznad tačke topljenja olova) 30 min. Kao što pokazuju rezultati posmatranja uz pomoć elektronskog mikroskopa, nakon žarenja neke nanocevi su bile ispunjene čvrstim materijalom. Sličan efekat punjenja nanocevi primećen je i pri zračenju glava cevi otvorenih kao rezultat žarenja snažnim elektronskim snopom. Uz dovoljno jako zračenje, materijal blizu otvorenog kraja cijevi se topi i prodire unutra. Prisustvo olova unutar cijevi utvrđeno je difrakcijom rendgenskih zraka i elektronskom spektroskopijom. Prečnik najtanje olovne žice bio je 1,5 nm. Prema rezultatima posmatranja, broj ispunjenih nanocevi nije prelazio 1%.


Tutoring

Trebate pomoć u učenju teme?

Naši stručnjaci će savjetovati ili pružiti usluge podučavanja o temama koje vas zanimaju.
Pošaljite prijavu naznačivši temu upravo sada kako biste saznali o mogućnosti dobivanja konsultacija.

Energija je važna industrija koja igra ogromnu ulogu u ljudskom životu. Energetsko stanje u zemlji zavisi od rada mnogih naučnika u ovoj oblasti. Do danas tragaju za te svrhe, spremni su koristiti sve, počevši od sunčeve svjetlosti i vode, do energije 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 savremeni trendovi, kao što su primijenjena hemija ili nanotehnologija, povezani su 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.

Oni su različite forme i veličine: jednoslojni i višeslojni, ravni i namotani. 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 negativnog utjecaja azbesta ovisi o vrsti i debljini 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 prsa, te 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 hemijski element. Ugljične nanocijevi se dobijaju raspršivanjem. Da bi se povećao njihov broj, potrebno je uvesti katalizator u grafitnu šipku. Najčešće je to mješavina različite grupe metal. 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 visokim temperaturama. 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. Kao to mogu poslužiti male čestice različitih metala, na primjer, 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 dobijanja nanocevi je najčešća. Sam proces se odvija u raznim industrijskim preduzećima, zbog čega se troši manje finansijskih sredstava za proizvodnju velikog broja 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 uređaja je zatvoren 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 opisana je 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 raznim vrstama baterija;
  • 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 slabu poziciju na tržištu, jer postoje problemi sa velikom proizvodnjom. Još jedna važna stvar 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 grana primjene je računarska tehnologija. 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 ljudsko zdravlje, jer ovaj materijal uzrokuje mnoge bolesti.

Kao što je ranije spomenuto, cijeli problem je prikupljanje sredstava. Većina investitora ne želi da ulaže naučni razvoj posebno dugo vremena. 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.

Danas se razvoj u ovoj industriji odvija na hemijskim odsjecima raznih univerziteta 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 mogu se izdvojiti posebna svojstva ugljikovih 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 u 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.