Karbon nanotube CNT adalah molekul silinder aneh dengan diameter sekitar setengah nanometer dan panjang hingga beberapa mikrometer. Karbon nanotube adalah struktur silinder berongga memanjang dengan diameter urutan beberapa hingga puluhan nanometer, panjang nanotube tradisional dihitung dalam mikron, meskipun struktur dengan panjang urutan milimeter dan bahkan sentimeter sudah diperoleh di laboratorium. . Orientasi timbal balik dari kisi heksagonal grafit dan sumbu longitudinal nanotube menentukan ...

Bagikan pekerjaan di jejaring sosial

Jika karya ini tidak cocok untuk Anda, ada daftar karya serupa di bagian bawah halaman. Anda juga dapat menggunakan tombol pencarian

PENGANTAR

Saat ini, teknologi telah mencapai tingkat kesempurnaan sehingga komponen mikro menjadi semakin jarang digunakan dalam teknologi modern, dan secara bertahap digantikan oleh komponen nano. Ini menegaskan tren ke arah miniaturisasi yang lebih besar dari perangkat elektronik. Ada kebutuhan untuk menguasai tingkat integrasi baru - tingkat nano. Akibatnya, ada kebutuhan untuk mendapatkan transistor, kabel dengan ukuran berkisar antara 1 hingga 20 nanometer. Solusi untuk masalah ini adalah pada tahun 1985. penemuan nanotube, tetapi mereka mulai dipelajari hanya mulai dari tahun 1990, ketika mereka belajar bagaimana mendapatkannya dalam volume yang cukup.

Karbon nanotube (CNT) adalah molekul silinder yang aneh

berdiameter sekitar setengah nanometer dan panjangnya hingga beberapa mikrometer. Sistem polimer ini pertama kali ditemukan sebagai produk sampingan dari sintesis fullerene C 60 . Namun demikian, perangkat elektronik ukuran nanometer (molekuler) sudah dibuat berdasarkan nanotube karbon. Diharapkan di masa mendatang mereka akan mengganti elemen dengan tujuan yang sama di sirkuit elektronik berbagai perangkat, termasuk komputer modern.

1. Konsep tabung nano karbon

Pada tahun 1991, peneliti Jepang Ijima sedang mempelajari deposit yang terbentuk pada katoda ketika grafit tergagap dalam busur listrik. Perhatiannya tertuju pada struktur sedimen yang tidak biasa, yang terdiri dari filamen dan serat mikroskopis. Pengukuran mikroskop elektron telah menunjukkan bahwa diameter filamen tersebut tidak melebihi beberapa nanometer, dan panjangnya dari satu hingga beberapa mikron. Setelah berhasil memotong tabung tipis di sepanjang sumbu memanjang, para ilmuwan menemukan bahwa itu terdiri dari satu atau lebih lapisan, yang masing-masing adalah kisi grafit heksagonal, yang didasarkan pada segi enam dengan atom karbon yang terletak di simpul sudut. Dalam semua kasus, jarak antara lapisan adalah 0,34 nm, yaitu, sama seperti antara lapisan dalam grafit kristal. Sebagai aturan, ujung atas tabung ditutup dengan tutup hemispherical multilayer, yang setiap lapisannya terdiri dari segi enam dan segi lima, menyerupai struktur molekul setengah fullerene.

Struktur diperpanjang terdiri dari jaringan heksagonal terlipat dengan atom karbon di node disebut nanotube. Penemuan nanotube membangkitkan minat besar di antara para peneliti yang terlibat dalam penciptaan bahan dan struktur dengan sifat fisik dan kimia yang tidak biasa.

Karbon nanotube adalah struktur silinder berongga memanjang dengan diameter beberapa hingga puluhan nanometer (panjang nanotube tradisional diukur dalam mikron, meskipun struktur dengan panjang urutan milimeter dan bahkan sentimeter sudah diperoleh di laboratorium).

Tabung nano yang ideal adalah silinder yang diperoleh dengan menggulung kisi-kisi grafit heksagonal datar tanpa jahitan.Orientasi timbal balik dari jaringan heksagonal grafit dan sumbu longitudinal nanotube menentukan karakteristik struktural yang sangat penting dari nanotube, yang disebut kiralitas. Kiralitas dicirikan oleh dua bilangan bulat ( M N ) yang menunjukkan lokasi segi enam kisi yang, sebagai hasil pelipatan, harus bertepatan dengan segi enam yang terletak di titik asal.

Hal tersebut di atas diilustrasikan pada Gambar. 1.1, yang menunjukkan bagian dari jaringan grafit heksagonal, yang melipatnya menjadi silinder mengarah pada pembentukan nanotube lapisan tunggal dengan kiralitas yang berbeda. Kiralitas nanotube juga dapat ditentukan secara unik oleh sudut yang dibentuk oleh arah lipatan nanotube dan arah di mana segi enam yang berdekatan memiliki sisi yang sama. Arah ini juga ditunjukkan pada Gambar 1.1. Ada banyak varian lipat nanotube, tetapi di antaranya menonjol, sehingga struktur jaringan heksagonal tidak terdistorsi. Arah ini sesuai dengan sudut a = 0 dan a = 30°, yang sesuai dengan kiralitas(m , 0) dan (2n , n ).

Indeks kiralitas tabung satu lapis menentukan diameternya D :

dimana d0 = 0,142 nm adalah jarak antara atom karbon dalam kisi heksagonal grafit. Ekspresi di atas memungkinkan untuk menentukan kiralitasnya dari diameter tabung nano.

Gbr.1.1. Sebuah model untuk pembentukan nanotube dengan kiralitas yang berbeda ketika grid heksagonal grafit digulung menjadi silinder.

Karbon nanotube dicirikan oleh berbagai macam bentuk. Misalnya, mereka dapat berdinding tunggal atau berdinding banyak (lapisan tunggal atau berlapis), lurus atau spiral, panjang dan pendek, dll.

Pada Gambar.1.2. dan Gambar 1.3 model karbon single-layer dan model karbon multilayer nanotube disajikan, masing-masing.

Gambar 1.2 Model tabung nano karbon satu lapis

Gbr.1.3 Model nanotube karbon multilayer

Nanotube karbon multilayer berbeda dari yang single-layer dalam berbagai bentuk dan konfigurasi yang lebih luas. Varietas yang mungkin dari struktur transversal nanotube multilayer ditunjukkan pada Gambar 1.4.a dan b. Struktur yang ditunjukkan pada Gambar 1.4.a, disebut matryoshka Rusia. Ini adalah nanotube silinder lapisan tunggal yang bersarang secara koaksial. Struktur yang ditunjukkan pada gambar. 1.4.b, menyerupai gulungan atau gulungan yang digulung. Untuk semua struktur yang dipertimbangkan, jarak rata-rata antara lapisan yang berdekatan, seperti pada grafit, adalah 0,34 nm.

Gbr.1.4. Model penampang nanotube multilayer: a - matryoshka Rusia, b - gulir.

Dengan bertambahnya jumlah lapisan, penyimpangan dari bentuk silinder yang ideal menjadi semakin jelas. Dalam beberapa kasus, kulit terluar berbentuk polihedron. Terkadang lapisan permukaan adalah struktur dengan susunan atom karbon yang tidak teratur. Dalam kasus lain, cacat dalam bentuk segi lima dan segi enam terbentuk pada jaringan heksagonal ideal dari lapisan luar tabung nano, yang mengarah pada pelanggaran bentuk silinder. Kehadiran segi lima menyebabkan cembung, dan segi enam, pembengkokan cekung dari permukaan silinder nanotube. Cacat seperti itu menyebabkan munculnya nanotube bengkok dan heliks, yang dalam proses pertumbuhan memutar dan memutar di antara mereka sendiri, membentuk loop dan struktur panjang lainnya dari bentuk kompleks.

Yang penting, nanotube terbukti sangat kuat dalam ketegangan dan lentur. Di bawah aksi tekanan mekanis yang tinggi, nanotube tidak robek atau pecah, tetapi strukturnya hanya diatur ulang. By the way, karena kita berbicara tentang kekuatan nanotube, menarik untuk dicatat salah satu studi terbaru tentang sifat properti ini.

Peneliti Rice University yang dipimpin oleh Boris Jacobson telah menemukan bahwa nanotube karbon berperilaku seperti "struktur penyembuhan diri yang cerdas" (studi ini diterbitkan 16 Februari 2007 dalam jurnal Physical Review Letters). Jadi, di bawah tekanan mekanis kritis dan deformasi yang disebabkan oleh perubahan suhu atau radiasi radioaktif, nanotube dapat "memperbaiki" diri mereka sendiri. Ternyata selain sel 6-karbon, nanotube juga mengandung gugus lima dan tujuh atom. Sel 5/7-atom ini menunjukkan perilaku yang tidak biasa, bersepeda di sepanjang permukaan karbon nanotube seperti kapal uap di laut. Ketika kerusakan terjadi di lokasi cacat, sel-sel ini mengambil bagian dalam "penyembuhan luka", mendistribusikan kembali energi.

Selain itu, nanotube menunjukkan banyak sifat listrik, magnetik, dan optik yang tak terduga, yang telah menjadi objek dari sejumlah penelitian. Fitur nanotube karbon adalah konduktivitas listriknya, yang ternyata lebih tinggi daripada semua konduktor yang dikenal. Mereka juga memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, stabil secara kimia dan, yang paling menarik, dapat memperoleh sifat semikonduktor. Dalam hal sifat elektronik, nanotube karbon dapat berperilaku seperti logam atau seperti semikonduktor, yang ditentukan oleh orientasi poligon karbon relatif terhadap sumbu tabung.

Nanotube cenderung melekat erat satu sama lain, membentuk set yang terdiri dari nanotube logam dan semikonduktor. Sampai saat ini, tugas yang sulit adalah sintesis array hanya semikonduktor nanotube atau pemisahan (pemisahan) nanotube semikonduktor dari yang logam.

2. Sifat nanotube karbon

efek kapiler

Untuk mengamati efek kapiler, perlu untuk membuka nanotube, yaitu, lepaskan bagian atas - tutupnya. Untungnya, operasi ini cukup sederhana. Salah satu cara untuk melepas tutupnya adalah dengan menganil nanotube pada 850 ° C selama beberapa jam dalam aliran karbon dioksida. Sebagai hasil oksidasi, sekitar 10% dari semua nanotube terbuka. Cara lain untuk menghancurkan ujung tertutup nanotube adalah paparan asam nitrat pekat selama 4,5 jam pada suhu 240 ° C. Sebagai hasil dari perawatan ini, 80% dari nanotube menjadi terbuka.

Studi pertama tentang fenomena kapiler menunjukkan bahwa ada hubungan antara besarnya tegangan permukaan cairan dan kemungkinan ditarik ke dalam saluran nanotube. Ternyata cairan menembus ke dalam saluran nanotube jika tegangan permukaannya tidak lebih dari 200 mN/m. Oleh karena itu, untuk memasukkan zat apa pun ke dalam nanotube, pelarut dengan tegangan permukaan rendah digunakan. Misalnya, asam nitrat pekat, tegangan permukaannya rendah (43 mN/m), digunakan untuk memasukkan logam tertentu ke dalam saluran nanotube. Kemudian anil dilakukan pada 400 ° C selama 4 jam dalam atmosfer hidrogen, yang mengarah pada reduksi logam. Dengan cara ini, nanotube yang mengandung nikel, kobalt, dan besi diperoleh.

Seiring dengan logam, nanotube karbon dapat diisi dengan zat gas, seperti hidrogen molekuler. Kemampuan ini sangat penting secara praktis, karena membuka kemungkinan penyimpanan hidrogen yang aman, yang dapat digunakan sebagai bahan bakar ramah lingkungan di mesin pembakaran internal.

Resistivitas listrik dari karbon nanotube

Karena ukuran nanotube karbon yang kecil, hanya pada tahun 1996 dimungkinkan untuk secara langsung mengukur resistivitas listrik p menggunakan metode empat cabang. Untuk menghargai keterampilan eksperimental yang diperlukan untuk ini, kami akan memberikan deskripsi singkat tentang metode ini. Garis-garis emas diendapkan pada permukaan silikon oksida yang dipoles dalam ruang hampa. Nanotube sepanjang 2-3 m diendapkan di antara mereka. Kemudian, empat konduktor tungsten setebal 80 nm diendapkan pada salah satu nanotube yang dipilih untuk pengukuran, susunannya ditunjukkan pada Gambar. 2. Setiap konduktor tungsten memiliki kontak dengan salah satu strip emas. Jarak antara kontak pada nanotube adalah 0,3-1 m. Hasil pengukuran langsung menunjukkan bahwa resistivitas nanotube dapat bervariasi dalam rentang yang luas, dari 5,1 10-6 hingga 0,8 ohm/cm. Nilai p minimum adalah urutan besarnya lebih rendah dari grafit. Sebagian besar nanotube memiliki konduktivitas logam, sedangkan bagian yang lebih kecil menunjukkan sifat semikonduktor dengan celah pita 0,1 hingga 0,3 eV.

Gbr.2. Skema untuk mengukur hambatan listrik dari nanotube individu dengan metode empat probe: 1 - substrat silikon oksida, 2 - bantalan emas 3 - trek konduktif tungsten, 4 - tabung nano karbon.

3.Metode untuk sintesis karbon nanotube

3.1 Metode busur listrik

Metode yang paling banyak digunakan untuk mendapatkan nanotube,

menggunakan penyemprotan termal elektroda grafit dalam plasma

pelepasan busur terbakar di atmosfer helium.

Dalam pelepasan busur antara anoda dan katoda pada tegangan 20–25 V, arus busur searah yang stabil 50–100 A, jarak antarelektroda 0,5–2 mm, dan tekanan He 100–500 Torr, intensif sputtering bahan anoda terjadi. Bagian dari produk sputtering yang mengandung grafit, jelaga, dan fullerene diendapkan pada dinding chamber yang didinginkan, sedangkan bagian yang mengandung grafit dan karbon nanotube multilayer (MWNTs) diendapkan pada permukaan katoda. Banyak faktor yang mempengaruhi hasil nanotube.

Yang paling penting adalah tekanan He dalam ruang reaksi, yang, dalam kondisi optimal dari sudut pandang produksi NT, adalah 500 Torr, dan bukan 100-150 Torr, seperti dalam kasus fullerene. Faktor lain yang sama pentingnya adalah arus busur: output maksimum NT diamati pada arus busur minimum yang diperlukan untuk pembakaran yang stabil. Pendinginan dinding ruang dan elektroda yang efisien juga penting untuk menghindari keretakan anoda dan penguapan seragamnya, yang mempengaruhi isi

NT di deposit katoda.

Penggunaan perangkat otomatis untuk menjaga jarak antarelektroda pada tingkat yang tetap meningkatkan stabilitas parameter pelepasan busur dan memperkaya bahan katoda dengan nanotube.

menyetorkan.

3.2 Laser sputtering

Pada tahun 1995, sebuah laporan muncul tentang sintesis karbon nanotube dengan menyemburkan target grafit di bawah pengaruh radiasi laser berdenyut dalam atmosfer gas inert (He atau Ar). Target grafit berada dalam tabung kuarsa pada suhu 1200 tentang C, melalui mana gas penyangga mengalir.

Sinar laser yang difokuskan oleh sistem lensa memindai permukaan

target grafit untuk memastikan penguapan bahan target yang seragam.

Uap yang dihasilkan dari penguapan laser memasuki aliran

gas inert dan dibawa keluar dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah, di mana ia diendapkan pada substrat tembaga berpendingin air.

Jelaga yang mengandung NT dikumpulkan dari substrat tembaga, dinding tabung kuarsa, dan bagian belakang target. Begitu juga dengan metode arc, ternyata

beberapa jenis bahan akhir:

1) dalam percobaan di mana grafit murni digunakan sebagai target, diperoleh MWNT, yang memiliki panjang hingga 300 nm dan terdiri dari 4-24 silinder graphene. Struktur dan konsentrasi NT tersebut dalam bahan awal terutama ditentukan oleh suhu. Pada 1200 tentang Dengan semua NT yang diamati tidak mengandung cacat dan memiliki tutup di ujungnya. Ketika suhu sintesis diturunkan ke 900 tentang C, cacat muncul di NT, yang jumlahnya meningkat dengan penurunan suhu lebih lanjut, dan pada 200 tentang Tidak ada pembentukan NT yang diamati.

2) ketika sejumlah kecil logam transisi ditambahkan ke target, SWCNTs diamati dalam produk kondensasi. Namun, selama penguapan, target menjadi diperkaya dengan logam, dan hasil SWNT menurun.

Untuk mengatasi masalah ini, mereka mulai menggunakan dua target yang diiradiasi secara bersamaan, salah satunya adalah grafit murni, dan yang lainnya terdiri dari paduan logam.

Persentase hasil NT bervariasi secara dramatis tergantung pada katalis. Misalnya, hasil NT yang tinggi diperoleh pada katalis Ni, Co, campuran Ni dan Co dengan unsur lain. SWCNT yang diperoleh memiliki diameter yang sama dan digabungkan menjadi balok dengan diameter 5-20 nm. Campuran Ni/Pt dan Co/Pt memberikan hasil NT yang tinggi, sedangkan platinum murni menghasilkan hasil SWNT yang rendah. Campuran Co/Cu memberikan hasil SWNT yang rendah, dan penggunaan tembaga murni tidak mengarah pada pembentukan SWNT sama sekali. Tutup bola diamati di ujung SWNT yang bebas dari partikel katalis.

Sebagai variasi, sebuah metode telah tersebar luas, di mana alih-alih radiasi laser berdenyut, radiasi matahari terfokus digunakan. Metode ini digunakan untuk mendapatkan fullerene, dan setelahnya

perbaikan untuk mendapatkan NT. Sinar matahari, yang jatuh pada cermin datar dan dipantulkan, membentuk pancaran sinar sejajar bidang pada cermin parabola. Pada fokus cermin adalah perahu grafit yang diisi dengan campuran grafit dan bubuk logam. Perahu berada di dalam tabung grafit, yang berfungsi sebagai pelindung panas. Seluruh sistem ditempatkan dalam ruang yang diisi dengan gas inert.

Berbagai logam dan campurannya diambil sebagai katalis. Struktur yang berbeda diperoleh tergantung pada katalis yang dipilih dan tekanan gas inert. Menggunakan katalis nikel-kobalt pada tekanan gas penyangga rendah, sampel yang disintesis sebagian besar terdiri dari MWNT seperti bambu. Dengan peningkatan tekanan, SWNT dengan diameter 1-2 nm muncul dan mulai mendominasi; SWNT digabungkan menjadi balok dengan diameter hingga 20 nm dengan permukaan yang bebas dari karbon amorf.

3.3 Dekomposisi katalitik hidrokarbon

Metode yang banyak digunakan untuk produksi NT didasarkan pada penggunaan dekomposisi asetilena dengan adanya katalis. Partikel logam Ni, Co, Cu, dan Fe berukuran beberapa nanometer digunakan sebagai katalis. Sebuah perahu keramik dengan 20-50 mg katalis ditempatkan dalam tabung kuarsa panjang 60 cm dan diameter dalam 4 mm. Campuran asetilena C2H2 (2,5-10%) dan nitrogen dipompa melalui tabung selama beberapa jam pada suhu 500-1100 tentang C. Kemudian sistem didinginkan sampai suhu kamar. Empat jenis struktur diamati dalam percobaan dengan katalis kobalt:

1) lapisan karbon amorf pada partikel katalis;

2) partikel katalis logam yang dienkapsulasi oleh lapisan graphene;

3) benang yang dibentuk oleh karbon amorf;

4) MSNT.

Nilai terkecil dari diameter dalam MWNT ini adalah 10 nm. Diameter luar NT yang bebas dari karbon amorf berada pada kisaran 25–30 nm, dan untuk NT yang dilapisi karbon amorf, hingga 130 nm. Panjang NT ditentukan oleh waktu reaksi dan bervariasi dari 100 nm sampai 10 m.

Hasil dan struktur NT tergantung pada jenis katalis - penggantian Co dengan Fe memberikan konsentrasi NT yang lebih rendah dan jumlah NT bebas cacat berkurang. Ketika katalis nikel digunakan, sebagian besar filamen memiliki struktur amorf; kadang-kadang ditemukan NT dengan struktur grafit dan bebas cacat. Benang dengan bentuk tidak beraturan dan struktur amorf terbentuk pada katalis tembaga. Partikel logam yang dienkapsulasi dalam lapisan graphene diamati dalam sampel. NT dan utas yang diterima mengambil berbagai bentuk - langsung; melengkung, terdiri dari bagian lurus; zig-zag; spiral. Dalam beberapa kasus, helix pitch memiliki nilai konstanta semu.

Saat ini, telah menjadi perlu untuk mendapatkan array NT berorientasi, yang ditentukan oleh penggunaan struktur seperti emitter. Ada dua cara untuk mendapatkan susunan NT berorientasi: orientasi NT yang sudah tumbuh dan pertumbuhan NT berorientasi menggunakan metode katalitik.

Diusulkan untuk menggunakan silikon berpori, yang pori-porinya diisi dengan nanopartikel besi, sebagai substrat untuk pertumbuhan NT. Substrat ditempatkan dalam buffer gas dan media asetilena pada suhu 700 tentang C, di mana besi mengkatalisis proses dekomposisi termal asetilena. Akibatnya, di area beberapa mm 2 , tegak lurus terhadap substrat, NT multilayer berorientasi terbentuk.

Metode serupa adalah penggunaan aluminium anodized sebagai substrat. Pori-pori aluminium anodized diisi dengan kobalt. Substrat ditempatkan dalam campuran asetilen dan nitrogen yang mengalir pada suhu 800 tentang C. NT berorientasi yang dihasilkan memiliki diameter rata-rata 50,0±0,7 nm dengan jarak antar tabung 104,2±2,3 nm. Kepadatan rata-rata ditentukan pada tingkat 1,1x1010 NT/cm 2 . TEM nanotube mengungkapkan struktur grafit yang baik dengan jarak antara lapisan graphene 0,34 nm. Dilaporkan bahwa dengan mengubah parameter dan waktu pemrosesan substrat aluminium, dimungkinkan untuk mengubah diameter NT dan jarak di antara keduanya.

Metode dilanjutkan pada suhu yang lebih rendah (di bawah 666 tentang C) juga dijelaskan dalam artikel. Suhu rendah selama sintesis memungkinkan untuk menggunakan kaca dengan lapisan film nikel yang diendapkan sebagai substrat. Film nikel berfungsi sebagai katalis untuk pertumbuhan NT dengan deposisi uap plasma teraktivasi filamen panas. Asetilena digunakan sebagai sumber karbon. Dengan mengubah kondisi eksperimental, dimungkinkan untuk mengubah diameter tabung dari 20 menjadi 400 nm dan panjangnya dalam kisaran 0,1-50 m. MWNT berdiameter besar (>100 nm) yang diperoleh lurus dan sumbunya diarahkan tegak lurus terhadap substrat. Kerapatan NT yang teramati menurut pemindaian mikroskop elektron adalah 107 NT/mm 2 . Ketika diameter NT menjadi kurang dari 100 nm, orientasi tegak lurus yang disukai terhadap bidang substrat menghilang. Array MWNT berorientasi dapat dibuat di atas area beberapa cm 2 .

3.4 Sintesis elektrolitik

Ide utama dari metode ini adalah untuk mendapatkan nanotube karbon dengan melewatkan arus listrik antara elektroda grafit dalam garam ionik cair. Katoda grafit dikonsumsi selama reaksi dan berfungsi sebagai sumber atom karbon. Akibatnya, berbagai nanomaterial terbentuk. Anoda adalah perahu yang terbuat dari grafit kemurnian tinggi dan diisi dengan lithium klorida. Perahu dipanaskan sampai titik leleh lithium klorida (604 tentang C) di udara atau di atmosfer gas inert (argon). Katoda direndam dalam litium klorida cair dan dalam satu menit arus 1-30 A dilewatkan di antara elektroda.Selama aliran arus, bagian katoda yang direndam dalam lelehan terkikis. Selanjutnya, lelehan elektrolit yang mengandung partikelkarbon, didinginkan sampai suhu kamar.

Untuk mengisolasi partikel karbon hasil erosi katoda, garam dilarutkan dalam air. Endapan diisolasi, dilarutkan dalam toluena, dan didispersikan dalam penangas ultrasonik. Produk sintesis elektrolit dipelajari menggunakan TEM. Terungkap bahwa mereka

terdiri dari partikel logam yang dienkapsulasi, bawang, dan karbon NT dari berbagai morfologi, termasuk spiral dan sangat melengkung. tergantung

Tergantung pada kondisi eksperimental, diameter nanotube yang dibentuk oleh lapisan graphene silinder bervariasi dari 2 hingga 20 nm. Panjang MWNT mencapai 5 m.

Kondisi arus optimal ditemukan - 3-5 A. Pada nilai arus tinggi (10-30 A), hanya partikel terenkapsulasi dan karbon amorf yang terbentuk. Pada

nilai arus rendah (<1А) образуется только аморфный углерод.

3.5 Metode kondensasi

Dalam metode kondensasi uap kuasi-bebas, uap karbon terbentuk sebagai hasil dari pemanasan resistif pita grafit dan mengembun pada substrat grafit pirolitik yang sangat teratur, didinginkan hingga suhu 30 tentang C dalam ruang hampa 10-8 Torr. Studi TEM dari film yang diperoleh dengan ketebalan 2-6 nm menunjukkan bahwa mereka mengandung nanotube karbon dengan diameter 1-7 nm dan panjang hingga 200 nm, yang sebagian besar berakhir di ujung bulat. Kandungan NT dalam sedimen melebihi 50%. Untuk NT multilayer, jarak antara lapisan graphene yang membentuknya adalah 0,34 nm. Tabung terletak di substrat hampir horizontal.

3.6 Metode penghancuran struktural

Metode ini dikembangkan oleh para peneliti di lab IBM. Seperti itu

dikatakan sebelumnya, nanotube memiliki logam dan

sifat semikonduktor. Namun, untuk produksi sejumlah perangkat yang didasarkan pada mereka, khususnya, transistor dan, lebih lanjut, prosesor yang menggunakannya, hanya nanotube semikonduktor yang diperlukan. Para ilmuwan di IBM mengembangkan metode yang disebut "penghancuran konstruktif" yang memungkinkan mereka menghancurkan semua nanotube logam sambil membiarkan nanotube semikonduktor tetap utuh. Artinya, mereka secara berurutan menghancurkan satu cangkang dalam tabung nano berdinding banyak, atau secara selektif menghancurkan tabung nano logam berdinding tunggal.

Berikut adalah bagaimana proses ini dijelaskan secara singkat:

1. "Tali" lengket dari tabung logam dan semikonduktor ditempatkan pada substrat silikon oksida.

2. Kemudian topeng litografi diproyeksikan ke substrat untuk membentuk

elektroda (jarak logam) di atas nanotube. Elektroda ini

berfungsi sebagai sakelar untuk menghidupkan/mematikan

nanotube semikonduktor.

3. Menggunakan substrat silikon itu sendiri sebagai elektroda, para ilmuwan "mematikan"

nanotube semikonduktor yang hanya memblokir aliran arus apa pun yang melaluinya.

4. Tabung nano logam dibiarkan tidak terlindungi. Setelah itu, tegangan yang sesuai diterapkan ke substrat, yang menghancurkan nanotube logam, sedangkan nanotube semikonduktor tetap terisolasi. Hasilnya adalah susunan padat nanotube semikonduktor yang utuh dan dapat diterapkan - transistor yang dapat digunakan untuk membuat sirkuit logika - yaitu, prosesor. Sekarang mari kita lihat proses ini secara lebih rinci. Cangkang MWNT yang berbeda mungkin memiliki sifat listrik yang berbeda. Akibatnya, struktur elektronik dan mekanisme transfer elektron dalam MWNT berbeda. Kompleksitas struktural ini memungkinkan hanya satu cangkang MWNT untuk dipilih dan digunakan: cangkang yang memiliki sifat yang diinginkan. Penghancuran nanotube multi-dinding terjadi di udara pada tingkat daya tertentu, melalui

oksidasi kulit karbon terluar. Selama penghancuran, arus yang mengalir melalui MWNT berubah dalam langkah-langkah, dan langkah-langkah ini bertepatan dengan penghancuran cangkang individu dengan keteraturan yang mengejutkan. Dengan mengontrol proses pelepasan selubung satu per satu, dimungkinkan untuk membuat tabung dengan karakteristik yang diinginkan dari selubung luar, logam atau semikonduktor. Dengan memilih diameter kulit terluar, seseorang dapat memperoleh celah pita yang diinginkan.

Jika "tali" dengan nanotube berdinding tunggal digunakan untuk membuat transistor efek medan, maka tabung logam tidak dapat dibiarkan di dalamnya, karena mereka akan mendominasi dan menentukan sifat transportasi perangkat, mis. tidak akan memiliki efek medan. Masalah ini juga diselesaikan dengan penghancuran selektif. Tidak seperti MWNT, dalam "tali" tipis, setiap SWNT dapat dihubungkan secara terpisah ke elektroda eksternal. Dengan demikian, "tali" dengan MWNT dapat direpresentasikan sebagai konduktor paralel independen dengan total konduktivitas total yang dihitung dengan rumus:

G(Vg) = Gm + Gs(Vg),

di mana Gm dihasilkan oleh nanotube logam dan Gs adalah konduktivitas bergantung gerbang dari nanotube semikonduktor.

Selain itu, banyak SWNT di "tali" terkena udara, lingkungan yang berpotensi mengoksidasi, sehingga banyak tabung dapat dihancurkan pada saat yang sama, berbeda dengan kasus MWNT. Dan, akhirnya, nanotube berdinding tunggal dalam "tali" kecil tidak secara elektrostatik melindungi satu sama lain seefektif cangkang konsentris MWNT. Akibatnya, elektroda gerbang dapat digunakan untuk secara efektif mengurangi pembawa arus listrik (elektron atau

lubang) di SWNT semikonduktor di "tali". Ini mengubah tabung semikonduktor menjadi isolator. Dalam hal ini, oksidasi yang disebabkan oleh arus hanya dapat diarahkan ke SWNT logam di "tali".

Produksi array nanotube semikonduktor dilakukan

sederhana: dengan menempatkan "tali" SWNT pada substrat silikon teroksidasi,

Dan kemudian satu set sumber arus, elektroda pembumian dan berinsulasi ditempatkan secara litografi di atas "tali". Konsentrasi tabung dipilih sebelumnya sehingga rata-rata hanya satu "tali" yang menutup sumber dan tanah. Dalam hal ini, tidak diperlukan orientasi khusus dari nanotube. Gerbang bawah (substrat silikon itu sendiri) digunakan untuk mematikan tabung semikonduktor, dan kemudian tegangan berlebih diterapkan untuk menghancurkan tabung logam di "tali", yang menciptakan FET. Dengan menerapkan teknologi penghancuran selektif ini, ukuran nanotube karbon dapat dikontrol, yang memungkinkan konstruksi nanotube dengan sifat listrik yang telah ditentukan sebelumnya yang memenuhi karakteristik yang diperlukan dari perangkat elektronik. Tabung nano dapat digunakan sebagai kabel berukuran nano atau sebagai komponen aktif dalam perangkat elektronik, seperti transistor efek medan. Jelas bahwa, tidak seperti semikonduktor berbasis silikon, yang memerlukan pembuatan konduktor berbasis aluminium atau tembaga untuk menghubungkan elemen semikonduktor di dalam kristal, teknologi ini hanya dapat dihilangkan dengan karbon.

Saat ini, produsen prosesor berusaha mengurangi panjang saluran di transistor untuk meningkatkan frekuensi. Teknologi yang diusulkan oleh IBM memungkinkan untuk berhasil memecahkan masalah ini dengan menggunakan nanotube karbon sebagai saluran dalam transistor.

4. Penggunaan praktis karbon nanotube

4.1 Emisi dan perisai lapangan

Ketika medan listrik kecil diterapkan di sepanjang sumbu nanotube, emisi elektron yang sangat intens terjadi dari ujungnya. Fenomena seperti itu disebut emisi medan. Efek ini dapat dengan mudah diamati dengan menerapkan tegangan kecil antara dua elektroda logam paralel, salah satunya dilapisi dengan pasta nanotube komposit. Jumlah tabung yang cukup akan tegak lurus dengan elektroda, yang memungkinkan Anda untuk mengamati emisi medan. Salah satu penerapan efek ini adalah untuk meningkatkan tampilan panel datar. Monitor televisi dan komputer menggunakan pistol elektron terkontrol untuk menyinari layar fluoresen yang memancarkan cahaya dalam warna yang diinginkan. Perusahaan Korea Samsung sedang mengembangkan layar panel datar menggunakan emisi elektron karbon nanotube. Sebuah film tipis nanotube ditempatkan pada lapisan elektronik kontrol dan atasnya dengan pelat kaca dilapisi dengan lapisan fosfor. Sebuah perusahaan Jepang menggunakan efek emisi elektron pada lampu vakum yang seterang lampu pijar konvensional, tetapi lebih efisien dan tahan lama. Peneliti lain menggunakan efek tersebut untuk mengembangkan cara baru untuk menghasilkan radiasi gelombang mikro.

Konduktivitas listrik yang tinggi dari nanotube karbon berarti bahwa mereka tidak akan mengirimkan gelombang elektromagnetik dengan baik. Plastik komposit dengan nanotube mungkin merupakan bahan ringan yang melindungi radiasi elektromagnetik. Ini adalah masalah yang sangat penting bagi militer, yang sedang mengembangkan ide-ide representasi digital dari medan perang dalam sistem komando, kontrol dan komunikasi. Komputer dan perangkat elektronik yang merupakan bagian dari sistem tersebut harus dilindungi dari senjata yang menghasilkan pulsa elektromagnetik.

4.2 Sel bahan bakar

Karbon nanotube dapat digunakan dalam pembuatan baterai.

Lithium, yang merupakan pembawa muatan di beberapa baterai, dapat ditempatkan

di dalam nanotube. Diperkirakan satu atom litium dapat ditempatkan di dalam tabung untuk setiap enam atom karbon. Kemungkinan penggunaan lain dari nanotube adalah penyimpanan hidrogen di dalamnya, yang dapat digunakan dalam desain sel bahan bakar sebagai sumber energi listrik di mobil masa depan. Sel bahan bakar terdiri dari dua elektroda dan elektrolit khusus yang memungkinkan ion hidrogen lewat di antara keduanya, tetapi tidak memungkinkan elektron untuk melewatinya. Hidrogen dikirim ke anoda di mana ia terionisasi. Elektron bebas bergerak ke katoda di sepanjang sirkuit eksternal, dan ion hidrogen berdifusi ke katoda melalui elektrolit, di mana molekul air terbentuk dari ion, elektron, dan oksigen ini. Sistem seperti itu membutuhkan sumber hidrogen. Salah satu kemungkinan adalah untuk menyimpan hidrogen di dalam nanotube karbon. Diperkirakan agar efektif dalam kapasitas ini, tabung harus menyerap 6,5% hidrogen menurut beratnya. Saat ini, hanya 4% berat hidrogen yang dapat masuk ke dalam tabung.
Metode elegan untuk mengisi nanotube karbon dengan hidrogen adalah dengan menggunakan sel elektrokimia untuk ini. Tabung nano berdinding tunggal berbentuk lembaran kertas merupakan elektroda negatif dalam larutan KOH yang merupakan elektrolit. Elektroda lainnya terdiri dari Ni(OH) 2 . Air elektrolit terurai membentuk ion hidrogen positif (H+ ) bergerak menuju elektroda negatif yang terbuat dari nanotube. Adanya ikatan hidrogen dalam tabung ditentukan dari penurunan intensitas hamburan Raman.

4.3. Katalis

Katalis adalah zat, biasanya logam atau paduan, yang meningkatkan laju reaksi kimia. Untuk beberapa reaksi kimia, nanotube karbon adalah katalis. Misalnya, nanotube multilayer dengan atom ruthenium terikat eksternal memiliki efek katalitik yang kuat pada reaksi hidrogenasi aldehida sinamat (C 6 jam 5 CH=CHCHO) dalam fase cair dibandingkan dengan efek rutenium yang sama pada substrat karbon lainnya. Reaksi kimia juga dilakukan di dalam nanotube karbon, misalnya reduksi nikel oksida NiO menjadi logam nikel dan A l 1 3 untuk aluminium. Aliran gas hidrogen H 2 pada 475 °C sebagian mengurangi Mo O 3 ke Mo O 2 dengan pembentukan uap air secara bersamaan di dalam nanotube multilayer. Kristal CdS kadmium sulfida terbentuk di dalam nanotube melalui reaksi kristal kadmium oksida CdO dengan hidrogen sulfida (H 2 S) pada 400 °С.

4.4 Sensor kimia

Telah ditetapkan bahwa transistor efek medan yang dibuat pada nanotube kiral semikonduktor adalah detektor sensitif dari berbagai gas. Transistor efek medan ditempatkan dalam bejana dengan kapasitas 500 ml dengan kabel catu daya dan dua katup untuk saluran masuk dan keluar gas yang mencuci transistor. Aliran gas yang mengandung 2 sampai 200 ppm N O2 , pada kecepatan 700 ml/menit selama 10 menit menyebabkan peningkatan tiga kali lipat dalam konduktivitas nanotube. Efek ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika mengikat N O2 dengan nanotube, muatan ditransfer dari nanotube ke grup N O2 , meningkatkan konsentrasi lubang di nanotube dan konduktivitasnya.

4.5 Kabel kuantum

Studi teoretis dan eksperimental dari sifat listrik dan magnetik nanotube telah mengungkapkan sejumlah efek yang menunjukkan sifat kuantum transfer muatan dalam kabel molekul ini dan dapat digunakan dalam perangkat elektronik.

Konduktivitas kawat biasa berbanding terbalik dengan panjangnya dan berbanding lurus dengan penampang, sedangkan dalam kasus nanotube tidak tergantung pada panjang atau ketebalannya dan sama dengan kuantum konduktivitas (12,9 kΩ-1 ) - nilai batas konduktivitas, yang sesuai dengan transfer bebas elektron terdelokalisasi di sepanjang konduktor.

Pada suhu biasa, nilai rapat arus yang teramati (107 A(cm–2)) adalah dua kali lipat lebih tinggi daripada rapat arus yang dicapai saat ini oleh

superkonduktor.

Sebuah nanotube yang bersentuhan dengan dua elektroda superkonduktor pada suhu sekitar 1 K menjadi superkonduktor. Efek ini disebabkan oleh fakta bahwa pasangan elektron Cooper terbentuk

dalam elektroda superkonduktor, tidak membusuk saat melewati

tabung nano.

Pada suhu rendah, peningkatan arus secara bertahap (kuantisasi konduktivitas) diamati pada tabung nano logam dengan peningkatan tegangan bias V yang diterapkan ke tabung nano: setiap lompatan sesuai dengan munculnya tingkat delokalisasi berikutnya dari tabung nano di celah antara tingkat Fermi katoda dan anoda.

Tabung nano memiliki ketahanan magnet yang nyata: konduktivitas listrik sangat bergantung pada induksi medan magnet. Jika medan eksternal diterapkan ke arah sumbu nanotube, osilasi nyata dalam konduktivitas listrik diamati; jika medan diterapkan tegak lurus terhadap sumbu NT, maka peningkatannya diamati.

4.6 LED

Aplikasi lain dari MWNT adalah fabrikasi LED berdasarkan bahan organik. Dalam hal ini, metode berikut digunakan untuk persiapannya: Serbuk NT dicampur dengan elemen organik dalam toluena dan disinari dengan ultrasound, kemudian larutan didiamkan selama 48 jam. Tergantung pada jumlah awal komponen, berbagai fraksi massa NT diperoleh. Untuk pembuatan LED, bagian atas larutan dihilangkan dan diendapkan pada substrat kaca dengan sentrifugasi, setelah itu elektroda aluminium disemprotkan ke lapisan polimer. Perangkat yang dihasilkan dipelajari oleh electroluminescence, yang mengungkapkan puncak radiasi mereka di wilayah spektrum inframerah (600-700 nm).

KESIMPULAN

Saat ini, nanotube karbon menarik banyak perhatian karena kemungkinan fabrikasi perangkat berukuran nanometer berdasarkan mereka. Meskipun banyak penelitian di bidang ini, masalah produksi massal perangkat tersebut tetap terbuka, yang dikaitkan dengan ketidakmungkinan kontrol yang tepat dari produksi nanotube dengan parameter dan sifat yang diinginkan.

Namun, dalam waktu dekat, perkembangan pesat di bidang ini harus diharapkan karena kemungkinan pembuatan mikroprosesor dan chip berdasarkan nanotransistor dan, sebagai hasilnya, investasi di bidang ini oleh perusahaan yang berspesialisasi dalam teknologi komputer.

BIBLIOGRAFI

1. nanotube karbon. Bahan untuk komputer abad XXI, P.N. Dyachkov. Prioda No. 11, 2000
2. Rakov E.G. Metode untuk mendapatkan nanotube karbon // Kemajuan dalam Kimia. -2000. - T. 69. - No. 1. - S. 41-59.
3. Rakov E.G. Kimia dan penerapan karbon nanotube // Kemajuan dalam Kimia. 2001. - T. 70. - No. 11. - S. 934-973.
4. Eletsky A.V. // Sukses fisik. Ilmu. 1997. V. 167, No. 9. S. 945-972.
5. Zolotukhin I.V. nanotube karbon. Institut Teknik Negeri Voronezh.
6. http://skybox.org.ua/

halaman 15

Karya terkait lainnya yang mungkin menarik bagi Anda.vshm>
.			732KB

Dan struktur serupa lainnya yang dapat disebut dengan istilah umum struktur rangka karbon. Apa itu?

Struktur rangka karbon adalah molekul besar (dan terkadang raksasa!) yang hanya terdiri dari atom karbon. Bahkan dapat dikatakan bahwa struktur kerangka karbon adalah bentuk karbon alotropik baru (selain yang sudah lama dikenal: intan dan grafit). Fitur utama dari molekul-molekul ini adalah bentuk kerangkanya: mereka terlihat seperti tertutup, kosong di dalam "kulit". Yang paling terkenal dari struktur rangka karbon adalah fullerene C 60, penemuan yang benar-benar tak terduga yang pada tahun 1985 menyebabkan ledakan penelitian di bidang ini (Hadiah Nobel dalam Kimia untuk tahun 1996 dianugerahkan tepat kepada penemu fullerene Robert Kerl, Harold Kroto dan Richard Smalley). Pada akhir 1980-an dan awal 1990-an, setelah teknik untuk memperoleh fullerene dalam jumlah makroskopik dikembangkan, banyak lainnya, baik yang lebih ringan maupun lebih berat, fullerene ditemukan: mulai dari C 20 (fullerene terkecil yang mungkin) dan hingga C 70 , C 82 , C 96 , dan di atasnya.

Namun, keragaman struktur kerangka karbon tidak berakhir di situ. Pada tahun 1991, sekali lagi secara tak terduga, formasi karbon silinder panjang ditemukan, yang disebut nanotube. Secara visual, struktur nanotube semacam itu dapat dibayangkan sebagai berikut: kami mengambil bidang grafit, memotong strip darinya dan "menempelkannya" ke dalam silinder (peringatan: pelipatan bidang grafit ini hanyalah cara untuk bayangkan struktur nanotube; pada kenyataannya, nanotube tumbuh sangat berbeda). Tampaknya lebih sederhana - Anda mengambil bidang grafit dan mengubahnya menjadi silinder! - Namun, sebelum penemuan eksperimental nanotube, tidak ada ahli teori yang memprediksinya! Jadi para ilmuwan hanya bisa mempelajarinya - dan terkejut!

Dan ada banyak kejutan. Pertama, berbagai bentuk: nanotube bisa besar dan kecil, lapisan tunggal dan multi-lapisan, lurus dan spiral. Kedua, terlepas dari kerapuhan dan bahkan kehalusannya, nanotube ternyata menjadi bahan yang sangat kuat, baik dalam tegangan maupun lentur. Selain itu, di bawah aksi tekanan mekanis yang melebihi tekanan kritis, nanotube juga berperilaku luar biasa: mereka tidak "merobek" atau "mematahkan", tetapi hanya mengatur ulang! Selanjutnya, nanotube menunjukkan seluruh spektrum sifat listrik, magnetik, dan optik yang paling tak terduga. Misalnya, tergantung pada skema lipatan spesifik bidang grafit, nanotube dapat menjadi konduktor dan semikonduktor! Dapatkah bahan lain dengan komposisi kimia yang begitu sederhana memiliki setidaknya beberapa sifat yang dimiliki nanotube?!

Akhirnya, berbagai aplikasi yang telah dirancang untuk nanotube sangat mencolok. Hal pertama yang menunjukkan dirinya adalah penggunaan nanotube sebagai batang dan benang mikroskopis yang sangat kuat. Seperti yang ditunjukkan oleh hasil eksperimen dan simulasi numerik, modulus Young dari tabung nano satu lapis mencapai nilai orde 1-5 TPa, yang merupakan orde besarnya lebih besar daripada baja! Benar, saat ini, panjang maksimum nanotube adalah puluhan dan ratusan mikron - yang, tentu saja, sangat besar dalam skala atom, tetapi terlalu kecil untuk penggunaan sehari-hari. Namun, panjang nanotube yang diperoleh di laboratorium secara bertahap meningkat - sekarang para ilmuwan telah mendekati batas milimeter: lihat [Z. Pan et al, 1998], yang menjelaskan sintesis nanotube multilayer dengan panjang 2 mm. Oleh karena itu, ada banyak alasan untuk berharap bahwa dalam waktu dekat, para ilmuwan akan belajar bagaimana menumbuhkan nanotube yang panjangnya sentimeter dan bahkan meter! Tentu saja, ini akan sangat memengaruhi teknologi masa depan: bagaimanapun, "kabel" setebal rambut manusia, yang mampu menahan beban ratusan kilogram, akan menemukan aplikasi yang tak terhitung jumlahnya.

Contoh lain, ketika nanotube adalah bagian dari perangkat fisik, adalah ketika "dipasang" di ujung terowongan pemindaian atau mikroskop kekuatan atom. Biasanya titik seperti itu adalah jarum tungsten yang diasah dengan tajam, tetapi menurut standar atom, penajaman seperti itu masih cukup kasar. Sebuah nanotube, di sisi lain, adalah jarum yang ideal dengan diameter urutan beberapa atom. Dengan menerapkan tegangan tertentu, dimungkinkan untuk mengambil atom dan seluruh molekul yang terletak di substrat langsung di bawah jarum, dan memindahkannya dari satu tempat ke tempat lain.

Sifat listrik yang tidak biasa dari nanotube akan menjadikannya salah satu bahan utama nanoelektronika. Prototipe transistor efek medan berdasarkan nanotube tunggal telah dibuat: dengan menerapkan tegangan pemblokiran beberapa volt, para ilmuwan telah belajar untuk mengubah konduktivitas nanotube lapisan tunggal dengan 5 kali lipat!

Aplikasi lain dalam nanoelektronika adalah pembuatan heterostruktur semikonduktor, mis. struktur logam/semikonduktor atau sambungan dua semikonduktor yang berbeda. Sekarang, untuk pembuatan heterostruktur seperti itu, tidak perlu menumbuhkan dua bahan secara terpisah dan kemudian "mengelas" mereka bersama-sama. Yang diperlukan hanyalah membuat cacat struktural pada tabung nano selama pertumbuhannya (yaitu, mengganti salah satu segi enam karbon dengan segi lima). Kemudian satu bagian dari nanotube akan menjadi logam, dan bagian lainnya akan menjadi semikonduktor!

Beberapa aplikasi nanotube dalam industri komputer telah dikembangkan. Misalnya, prototipe layar datar tipis berdasarkan matriks nanotube telah dibuat dan diuji. Di bawah aksi tegangan yang diterapkan ke salah satu ujung nanotube, elektron mulai dipancarkan dari ujung yang lain, yang jatuh di layar berpendar dan menyebabkan piksel bersinar. Butir gambar yang dihasilkan akan sangat kecil: di urutan mikron!

Dengan menggunakan mikroskop atom yang sama, dimungkinkan untuk merekam dan membaca informasi dari matriks yang terdiri dari atom titanium yang terletak pada substrat -Al2O3. Ide ini juga telah direalisasikan secara eksperimental: kerapatan perekaman informasi yang dicapai adalah 250 Gbit/cm 2 . Namun, dalam kedua contoh ini, penerapan massal masih jauh - inovasi intensif sains semacam itu terlalu mahal. Oleh karena itu, salah satu tugas terpenting di sini adalah mengembangkan metode murah untuk mengimplementasikan ide-ide ini.

Rongga di dalam nanotube (dan struktur kerangka karbon pada umumnya) juga telah menarik perhatian para ilmuwan. Memang, apa yang akan terjadi jika sebuah atom dari suatu zat ditempatkan di dalam fullerene? Eksperimen telah menunjukkan bahwa interkalasi (yaitu penyisipan) atom dari berbagai logam mengubah sifat listrik fullerene dan bahkan dapat mengubah isolator menjadi superkonduktor! Apakah mungkin untuk mengubah sifat nanotube dengan cara yang sama? Ternyata ya. Dalam karya [K. Hirahara et al, 2000], para ilmuwan mampu menempatkan seluruh rantai fullerene dengan atom gadolinium yang sudah tertanam di dalamnya di dalam nanotube! Sifat listrik dari struktur yang tidak biasa seperti itu sangat berbeda baik dari sifat sederhana, tabung nano berongga dan sifat tabung nano dengan fullerene kosong di dalamnya. Ternyata, elektron valensi, yang diberikan oleh atom logam kepada publik, sangat berarti! Omong-omong, menarik untuk dicatat bahwa sebutan kimia khusus telah dikembangkan untuk senyawa tersebut. Struktur yang dijelaskan di atas ditulis sebagai [dilindungi email] 60 @SWNT, yang artinya "Gd di dalam C 60 di dalam nanotube dinding tunggal (Single Wall NanoTube)".

Hal ini dimungkinkan tidak hanya untuk "mendorong" atom dan molekul ke dalam nanotube satu per satu, tetapi juga secara harfiah "menuangkan" materi ke dalamnya. Seperti yang telah ditunjukkan oleh eksperimen, nanotube terbuka memiliki sifat kapiler, yaitu menarik materi ke dalam dirinya sendiri, seolah-olah. Dengan demikian, nanotube dapat digunakan sebagai wadah mikroskopis untuk mengangkut zat kimia atau biologis aktif: protein, gas beracun, komponen bahan bakar, dan bahkan logam cair. Begitu berada di dalam tabung nano, atom atau molekul tidak bisa lagi keluar: ujung tabung nano dengan aman "disegel", dan cincin karbon aromatik terlalu sempit untuk sebagian besar atom. Dalam bentuk ini, atom atau molekul aktif dapat diangkut dengan aman. Begitu sampai di tempat tujuan, tabung nano terbuka di salah satu ujungnya (dan operasi "menyolder" dan "melepas penyolderan" ujung tabung nano sudah cukup dalam kekuatan teknologi modern) dan melepaskan isinya dalam dosis yang ditentukan secara ketat. Ini bukan fantasi; eksperimen semacam ini sudah dilakukan di banyak laboratorium di seluruh dunia. Dan kemungkinan dalam 10-20 tahun, teknologi ini akan digunakan untuk mengobati penyakit: misalnya, seorang pasien disuntikkan ke dalam darah dengan tabung nano yang sudah disiapkan sebelumnya dengan enzim yang sangat aktif, tabung nano ini dirakit di tempat tertentu di tubuh oleh beberapa mekanisme mikroskopis dan "dibuka" pada waktu tertentu. Teknologi modern hampir siap untuk diimplementasikan...

Lebih kuat dari ban radial? Semua indikasi adalah bahwa munculnya nanotube karbon TUBALL di industri ban akan merevolusi bahkan lebih dari munculnya silikon pada 1990-an, sebanding dengan penemuan ban radial setelah perang. Bahkan sejumlah kecil tabung luar biasa kecil dengan diameter satu nanometer (1 miliar meter), dengan dinding setipis satu (!) atom karbon, dapat meningkatkan kinerja karet apa pun. dalam skala yang luar biasa. Sejarah penemuan ini, lahir di jantung Siberia, sangat megah dan orisinal.

Pada tahun 1945, untuk pertama kalinya dalam sejarah, sebuah bom nuklir digunakan. Saat itulah orang belajar bahwa materi adalah gudang energi yang sangat besar. Pada tahap itu, kesulitan utama adalah - ekstraksi energi yang tepat. Ini adalah kebutuhan untuk bekerja dengan nanotube karbon pada tingkat atom yang membuat keduanya tidak biasa dalam karakteristiknya dan sulit untuk disintesis.

Bukan untuk mati seperti orang bodoh...

Mulai melihat teknologi canggih seperti itu dengan pengetahuan minimal adalah jaminan bahwa Anda tidak akan mengerti apa pun dalam penelitian ini, bahkan jika Anda pikir Anda tahu apa itu karbon. Mungkin lebih dari 500.000 tahun yang lalu, nenek moyang kita mulai menggunakannya untuk memanaskan atau memasak di atas arang. Kurang lebih 3 abad yang lalu, awal penggunaan batubara (batu) dan mesin uap menandai dimulainya era industri. Namun, periode prasejarah dalam sejarah karbon ini tidak ada hubungannya dengan nanokimia modern...

Dalam arti luas, segala sesuatu yang tumbuh dan hidup di bumi bergantung pada karbon. Dan seseorang yang terdiri dari 65% air, 3% nitrogen, 18% karbon, dan 10% hidrogen adalah contoh sempurna dari hal ini. Di alam, ada lebih dari satu juta senyawa dari kombinasi karbon dan hidrogen, dan kita tidak boleh lupa bahwa setelah batu bara, sumber energi utama bagi kita adalah hidrokarbon: secara umum, tidak mudah untuk melakukannya tanpa karbon yang tak tergantikan. .

Dalam keadaan alami, ia hanya memiliki dua bentuk kristal dan sangat berbeda: berlian dan grafit. Yang pertama adalah bahan yang bergengsi, sangat langka dan keras, yang kedua berminyak saat disentuh, jenis karbon yang jauh lebih eksklusif, ditambang dalam jumlah sekitar satu setengah juta ton per tahun. Hanya sedikit orang yang tahu bahwa berlian dari waktu ke waktu (jangka waktu yang sangat lama!) terurai menjadi grafit, yang pada akhirnya merupakan bentuk karbon paling stabil. Kami sangat mengenal mineral hitam atau abu-abu ini, perlu diingat, misalnya, tinta Cina atau pensil. Saat ini, antara lain, grafit membantu memastikan keamanan pembangkit listrik tenaga nuklir, dan juga memberi kita jutaan baterai listrik. Dialah yang merupakan nenek moyang yang tak terbantahkan dari semua bentuk struktur dari atom karbon, yang kemudian akan diciptakan manusia.

dari mikrometer...

Sifat pelumas grafit yang berguna seperti itu, menyerupai karbon "yarrow" atau "seribu-lapisan" dalam strukturnya, disebabkan oleh kemudahan lapisan-lapisan itu bergeser satu sama lain. Lapisan datar dan sangat tipis ini menyerupai "sarang lebah" dalam bentuknya, yang terdiri dari cincin heksagonal yang berdekatan, bagian atasnya masing-masing adalah atom karbon yang terikat pada tiga tetangganya. Bahkan ada lapisan setebal satu atom! Struktur khusus seperti itu memfasilitasi (semuanya relatif!) Akses ke atom karbon. Potensi besar grafit telah lama diketahui, tetapi penggunaan semua kualitas positif grafit terhalang oleh sejumlah masalah yang muncul ketika bekerja dengan grafit di tingkat atom. Perangkap pertama adalah bahwa akan mungkin untuk melihat dengan jelas struktur seperti itu hanya setelah munculnya mikroskop elektron resolusi tinggi yang baru dan kuat.

Awalnya, ahli kimia melihat karbon melalui prisma kemudahan yang berubah menjadi serat. Saat menghubungkan mikrokristal yang panjang dan datar dan menyelaraskannya di sepanjang garis paralel, dimungkinkan untuk mensintesis serat dengan diameter 5-10 mikron. Perakitan 1, 3, 6, 12, 24, 48 ribu serat karbon ini tergantung pada jenis penggunaan yang dimaksudkan,
membantu mensintesis utas yang sangat kuat, meskipun tidak berbobot. Dalam upaya memulihkan industri tekstil yang sempat terpuruk akibat perang, sejak tahun 1959 Jepang telah mengembangkan serat karbon. Pusat penelitian pertama kemudian menjadi Toray, yang masih menjadi salah satu perusahaan terbesar di dunia.

Tinjauan singkat tentang kualitas luar biasa dari nanotube berdinding tunggal: sifat konduktif lebih baik daripada tembaga, sementara mereka lima kali lebih ringan dan 100 kali lebih kuat dari baja, panjangnya satu juta kali diameternya, dan 1 gram permukaan yang dikembangkan menutupi luas 2 lapangan basket!

Serat baru ini tidak sepenuhnya berguna untuk tekstil tradisional, tetapi karena sifat mekaniknya yang luar biasa, serat ini dengan cepat diapresiasi oleh industri militer dan penerbangan. Saat ini, pesawat sipil generasi terbaru terdiri dari lebih dari 50% serat karbon, dan A380 tidak akan dapat terbang sama sekali tanpanya... Dan di mana pun efisiensi dan bobot yang ringan diperlukan - peralatan olahraga, perahu layar, dan mobil balap, prostetik, dll. .d. Anda tidak bisa lagi melakukannya tanpa serat karbon.

... menjadi nanometer

Namun, kami harus menunggu hingga 1985, ketika manusia menciptakan bentuk kristal ketiga dari karbon, kali ini sepenuhnya buatan, fullerene. Skala berubah secara drastis dan pencelupan ke kedalaman jumlah kecil yang tak terhingga dimulai, mikron serat digantikan oleh nanometer. Awalan "nano" ("nein" dalam bahasa Yunani) berarti 1 miliar meter. Ketika Anda bermain dengan atom pada skala nanometer, Anda harus membagi dimensi mikron dengan 1.000! Penemuan fullerene terjadi di laboratorium, ketika astrofisikawan mencoba menemukan jawaban atas pertanyaan tentang sifat asal usul rantai panjang yang mengandung karbon yang ditemukan di luar angkasa.

Berdasarkan pengetahuan mereka tentang molekul yang terbatas pada lapisan datar dua dimensi dari grafit, ahli kimia telah mampu membuat molekul 3-D baru yang masih 100% karbon, tetapi mengambil bentuk yang lebih beragam dan menarik: bola, elips, tabung, cincin , dll. d. Apa metode pembuatan yang digunakan untuk ini? Penguapan dalam lingkungan netral dari piringan grafit melalui ablasi laser di bawah kondisi yang sangat spesifik. Ide itu sendiri, serta implementasinya, jauh dari kekuatan semua orang ... Yang secara resmi diakui pada tahun 1996, ketika Hadiah Nobel Kimia diberikan, kepada tim penemu Anglo-Amerika yang terdiri dari Kroto, Keriting (Keriting), Kecil. Dan itu adil.

Produk pertama yang diperoleh dengan metode generasi ini awalnya berbentuk bola sepak! Seperti bola, strukturnya dipecah menjadi 20 segi enam, dan seperti grafit, ia dihubungkan ke 12 segi lima. Struktur ini, yang disebut C60, hanya setebal 0,7 nanometer dan memiliki ruang internal hanya satu nanometer, yang 200 juta kali lebih kecil dari bola sepak sungguhan! Namun, fitur yang terkait dengan budaya Anglo-Saxon dari tim peneliti inilah yang akan mengarah pada penetapan nama yang sangat orisinal untuk produk tersebut. Untuk menghormati arsitek Buckminster Fuller, penemu bola geodesik, C60 disebut "footballene" untuk beberapa waktu, kemudian menjadi buckminsterfullerene pertama, dan kemudian direduksi (untungnya!) menjadi fullerene.

Setelah pintu penciptaan bahan inovatif dibuka, proses dimulai: banyak kelompok penelitian bergegas untuk mendapatkan fullerene, menemukan berbagai metode untuk sintesisnya. Bentuk fullerene yang paling beragam mulai muncul, lebih efektif daripada yang sebelumnya, dengan kualitas yang berbeda dan luar biasa! Sekarang diyakini bahwa ada lebih dari 250.000 jenis fulleron (dan ini bukan akhir!), yang dapat berguna di industri apa pun: farmasi, kosmetik, elektronik, fotovoltaik, pelumas, dll. Setelah uang, nanopartikel adalah hal yang paling banyak digunakan di dunia.

Dan kemudian ada nanotube dan, akhirnya, graphene.

Setelah C60, adalah mungkin untuk mendapatkan "sepak bola" dari 70, 76, 84, 100, 200 atom, dan bahkan 20, dan ini baru permulaan. Di bawah pengaruh suhu, molekul karbon terbagi (kita hanya perlu mempelajari cara melakukannya), dan atom penyusunnya bersatu kembali dalam berbagai bentuk yang tak ada habisnya, dan tampaknya konfigurasi apa pun dimungkinkan. Bola, megatube, nanotube, dimer, polimer, nanoonion, dll., keluarga besar fullerene terus berkembang, tetapi nanotube kecil tetap menjadi harapan utama untuk pengembangan industri yang serius hingga hari ini.

Jika tahun 1959 dan 1985 secara umum diterima sebagai tanggal lahirnya serat karbon dan fullerene, maka nanotube muncul di suatu tempat antara tahun 1991 dan 1993. Pada tahun 1991, perintis Jepang Sumio Iijima (NEC) memperoleh nanotube multilayer pertama selama penelitian sintesis fullerene-nya, jumlah lapisan graphene yang berkisar antara 2 hingga 50. Dia memperolehnya kembali pada tahun 1993, tetapi sekarang mereka adalah nanotube dengan satu dinding, dan pada saat yang sama Donald S. Bethune, IBM (Donald S. Bethune), masing-masing dengan caranya sendiri.

Pada tahap ini dalam sejarah modern karbon, muncul material yang membentuk dinding nanotube berdinding tunggal (single wall), yaitu graphene. Ini adalah kristal dua dimensi yang terkenal, dengan lapisan datar berbentuk sarang lebah dan hanya setebal satu atom, yang lapisannya membentuk grafit. Faktanya, apa yang tampak sederhana, mengingat asal alaminya, ternyata tidak, jadi kami harus menunggu tahun 2004, ketika orang Belanda André Geim mampu mengisolasi karpet ini (atau lebih tepatnya kisi-kisi?) Satu atom setebal satu cara asli. Dia menggunakan lakban untuk mengupas materi lapis demi lapis hingga setebal 1 atom. Metode lain untuk mendapatkan graphene ditemukan, tentu saja, tetapi untuk ini Geim berbagi Nobel pada 2010 dengan Konstantin Novoselov, seorang warga Inggris kelahiran Rusia yang, seperti dia, bekerja di Inggris.

Dari sudut pandang konvensional, di masa depan, graphene akan merevolusi kehidupan kita. Menurut beberapa orang, ini adalah pergolakan teknologi yang sebanding dalam lingkup transisi dari Zaman Perunggu ke Zaman Besi! Grafena, yang fleksibel dan elastis, menghantarkan listrik lebih baik daripada tembaga. Grafena tidak berwarna 6 kali lebih ringan dari baja, dan juga 100 atau bahkan 300 kali lebih kuat. Yang unik ini bisa melakukan segalanya: terlepas dari ukurannya, dia bisa memperkuat hampir segalanya. Ini adalah 1 juta kali lebih tipis dari rambut - 3 juta lapisan graphene ditumpuk bersama, tidak lebih tebal dari 1mm. Namun, seluruh planet, dimulai dengan Eropa, menghabiskan miliaran untuk mempelajari cara mensintesis lapisan tersebut ke ukuran yang tepat dengan harga terjangkau. Sayangnya, belum semua orang berhasil mencapai ini!

nanotube dinding tunggal

Sementara itu, peluncuran sintesis serial graphene belum ditetapkan, bentuk lain dari fullerene dengan dinding yang terbuat dari graphene mulai mendapatkan momentum: nanotube. Awalnya, Iijima (Iijima) memperolehnya menggunakan dua elektroda grafit: ketika arus listrik menghasilkan plasma 6000 ° C: anoda (+) menguap, dan endapan kehitaman terbentuk pada katoda (-), yaitu, nanotube. Selain metode "percikan plasma pelepasan busur", ada yang lain: pada suhu tinggi dan sedang, dalam keadaan gas. Hasilnya berbeda, meskipun, segera setelah pelepasannya, atom karbon segera mulai bersatu kembali, membentuk bentuk yang aneh. Jadi, sebagian besar nanotube yang disintesis, sebagai pewaris keluarga fullerene, "ditutup" di ujungnya dengan satu atau dua tutup hemispherical. "Bagian sepak bola" ini dapat disimpan atau dilepas untuk membuka kedua ujung tabung dan mengisinya dengan produk lain agar lebih menarik.

Nanotube berdinding banyak (MW, multiwall) menyerupai boneka bersarang Rusia dalam strukturnya: banyak tabung dengan diameter yang semakin kecil, terpilin satu sama lain, atau satu lapisan melingkari dirinya sendiri seperti gulungan. Ada juga celah, lubang di struktur seluler atau lainnya dengan 5 atau 7 sisi, dan terkadang kotoran, endapan dari katalis logam, yang sangat diperlukan dalam operasi ini: kemudian, sebelum menggunakan tabung nano semacam itu, mereka perlu dimurnikan atau dipulihkan. Dinding tunggal (SW, dinding tunggal) juga dapat memiliki struktur yang sangat berbeda (spiral atau tidak), yang memberi mereka keuntungan besar dalam hal karakteristik mekanik atau listrik dan memberi mereka sifat konduktor atau semikonduktor, dll.

Menguasai metode sintesis nanotube bukanlah perjalanan sepanjang sungai yang panjang dan tenang, tetapi proses yang sangat kompleks, yang terdiri dari bekerja dengan jumlah material yang sangat kecil dengan biaya yang tinggi. Masih ada cukup banyak kesulitan, dan masih sangat sulit untuk mengatasinya.Hal ini terungkap pada tahun 2013, ketika raksasa kimia Bayer kehilangan banyak uang dengan menutup, hanya tiga tahun setelah pembukaan, pabriknya di Leverkusen untuk sintesis 200 ton nanotube dalam setahun. Tampaknya keputusan ini didorong oleh teknis (serat karbon dan Kevlar masih dalam peringkat) dan persaingan komersial, serta penilaian kembali permintaan, baik dari segi volume dan tingkat pertumbuhannya.

OCSiAl, anak dari taiga silikon

Seperti banyak penemuan modern yang hebat dengan banyak pencipta, penemuan nanotube tidak hanya karena Iijima dan Bethune. Banyak tim yang mengerjakan masalah ini, terkadang mereka bahkan tidak akrab satu sama lain dan menggunakan metode yang berbeda. Sebuah studi yang lebih hati-hati tentang sejarah masalah menunjukkan bahwa pada tahun 1952, ilmuwan Soviet Radushkevich dan Lukyanovich sudah melakukan penelitian pada tabung berukuran 50 nanometer, dan pada tahun 1976 Oberlin, Endo dan Koyama mempelajari serat berongga dan karbon nanotube berdinding tunggal (dinding tunggal). tabung nano karbon, disingkat SWCNT). Pada tahun 1981, ilmuwan Soviet memperoleh gambar graphene melengkung, tabung berdinding tunggal dalam kisaran 0,6 hingga 6 nm.

Perang Dingin dan perlindungan rahasia industri memperlambat penyebaran informasi tentang nanotube, yang menjelaskan kemunculan perusahaan Rusia OCSiAl di pasar dunia, yang terletak di Akademgorodok, kota penelitian 20 km dari Novosibirsk, di jantung Siberia. Itu dikandung dan dibuat pada tahun 1957 oleh Akademisi Lavrentiev, Doktor Ilmu Fisika dan Matematika. Nikita Khrushchev melindungi penciptaan kondisi terbaik untuk kehidupan dan pekerjaan para elit sains Soviet. Ditinggalkan karena runtuhnya Uni Soviet, Akademgorodok kemudian dihidupkan kembali dalam bentuk baru yang lebih modern dan kapitalis. Kota berpenduduk 60.000 jiwa ini kini menjadi rumah bagi perusahaan rintisan kelas dunia. Pada tahun 2006, sebuah technopark baru dibuat di dalamnya. Dinamika, kreativitas, dan konsentrasi tinggi perusahaan maju memungkinkan kami menyebut Akademgorodok "Silicon Taiga" - dengan analogi dengan Lembah Silikon California...

Nama OCSiAl adalah petunjuk pada simbol kimia dari elemen utama yang digunakan perusahaan: O - oksigen, C6 - karbon dengan nomor atom 6, Si - silikon, Al - aluminium.

Three Musketeers OCSiAl

Sesuai tradisi, ada empat Musketeer dari pendiri OCSiAl! Bahkan jika secara resmi Mikhail Predtechensky hanya seorang Wakil Presiden Senior, penulis teknologi sintesis, dia masih merupakan tokoh kunci di perusahaan dan orang masa depan. Ilmuwan dan penemu inilah yang mampu menyelesaikan reaktor "plasma-kimia" yang mampu mensintesis karbon nanotube berdinding tunggal dengan kualitas tertinggi dalam volume besar, dan, oleh karena itu, dengan harga pasar, yang belum ada yang mampu melakukan. Ilmuwan ini, pembawa teknologi paling canggih, bergabung dengan tiga pendiri bersama, pemodal, dan manajer dari tingkat tinggi yang sama: Yuri Igorevich Koropachinsky, Oleg Igorevich Kirilov dan sekarang tinggal di Israel Yuri Zelvensky. Mereka mampu mengidentifikasi potensi pasar dunia (diperkirakan 3 miliar dolar!) dan mengumpulkan 350 juta dolar yang dibutuhkan untuk mendirikan OCSiAl pada 2009, dan kemudian pada 2013 mendaftarkan paten dan membangun reaktor Graphetron 1.0, yang mampu mensintesis 10 ton nanotube karbon berdinding tunggal per tahun.

Grafetron 1.0 mulai beredar pada tahun 2014. Dan pada tahun 2016, perusahaan telah memiliki 260 orang staf, dimana 100 orang di antaranya adalah ilmuwan tingkat tertinggi yang bekerja di laboratorium Akademgorodok. Staf perusahaan lainnya adalah insinyur dan pedagang yang menjual tabung nano bermerek di bawah merek dagang TUBALL di seluruh dunia. Awalnya, kantor dibuka di Columbus, Incheon, Mumbai, Shenzhen, Hong Kong, Moskow untuk memasuki semua pasar utama. Kantor pusat perusahaan terletak di Luksemburg. Tim ini terdiri dari spesialis dari berbagai profil, karena ada banyak industri (dan sangat beragam) yang produknya dapat "merangsang" TUBALL. Spesialis teknis dan komersial yakin akan kualitas dan berbagai kemungkinan untuk menggunakan TUBALL. Marketing OCSiAl menetapkan target bar yang cukup tinggi untuk mereka. Pada 2017, direncanakan untuk meluncurkan reaktor kedua yang mampu mensintesis 50 ton per tahun. Proyeksi jangka pendek bersifat eksponensial berdasarkan 800 ton pada tahun 2020 dan 3.000 ton pada tahun 2022.

Dan jika dua grafetron pertama mulai mensintesis masing-masing 60 ton di Akademgorodok mulai 2018, maka yang ketiga, secara teori, akan muncul lebih dekat ke Eropa dan pasar utamanya. Dan karena spesifikasi dasar membutuhkan "banyak energi dan gas," taruhan sudah dibuat tentang lokasi masa depan: mengapa tidak di Luksemburg, karena perusahaan berkantor pusat di sini?

Jelas Superioritas

Seseorang dapat menganggap ramalan seperti itu terlalu optimis dan takut untuk terbang ke dalam pipa, seperti yang terjadi dengan Bayer, tetapi tidak ada seorang pun di Luksemburg yang takut akan hal ini - tabung nano karbon berdinding tunggal TUBALL sangat unggul dalam karakteristiknya dibandingkan tabung nano multilayer. Inilah yang diyakinkan oleh Christoph Siara, Direktur Pemasaran dan Penjualan, Ocsial Eropa, dan Jean-Nicolas Helt, Pengembangan Pimpinan dan Dukungan Pelanggan, Elastomer, OCSiAl Eropa. Anda tidak dapat mengatakan dengan nama Christophe Ciara bahwa dia adalah orang Jerman. Christoph dididik sebagai pengacara. Tinggal di Prancis sejak 1983, transisi karir dari satu industri mutakhir ke industri lain telah memberinya pengalaman untuk menguasai teknologi paling kompleks dengan pemahaman. Ketika Christophe Ciara berbicara tentang nanotube, dia bisa disalahartikan sebagai ahli kimia sejati. Insinyur Jean-Nicolas Elt berasal dari Prancis. Dia lulus dalam fisika lingkungan dari University of Nancy, kemudian dari ESEM of Orléans. Berkat pendidikannya yang sangat baik, ia dapat bergabung dengan Goodyear di Luksemburg. Dalam 17 tahun beroperasi, ia membanggakan beberapa prestasi besar di industri ban untuk truk berat dan mobil penumpang. Pada tahun 2015, dia bergabung dengan OCSiAl sebagai manajer proyek, dan dialah yang mengatakan bahwa nanotube TUBALL dapat membawa sesuatu yang berharga bagi industri ban.

Christophe Ciara menjelaskan bahwa pengenalan tabung nano karbon berdinding tunggal TUBALL merupakan terobosan signifikan bagi industri jika dibandingkan dengan pendahulunya, tabung nano multi-dinding. Dengan diameter berkisar antara 25 sampai 40 nm, terdiri dari beberapa lapisan bengkok, nanotube multilayer ini cukup kaku di alam, yang memiliki dampak negatif pada sifat mekaniknya. Tidak seperti tabung nano berdinding banyak, tabung nano karbon berdinding tunggal TUBALL tipis, pada urutan 1,5 nm, dan sangat panjang > 5 mikron: “Mereka 3.000 kali lebih panjang dari lebar, yang menjadi lebih jelas dengan contoh ini: ini adalah irigasi kebun Anda selang 100 meter!

Ini berarti bahwa ada juga sisi linguistik dari masalah ini, karena nama "serpentine", "mie", "berongga dan serat karbon panjang" terlihat jauh lebih cocok daripada tabung. Tapi tetap saja, nanotube jauh lebih sederhana!

Aspek lain di mana TUBALL tidak memiliki saingan: lapisan setebal 1 nmnya benar-benar rata, karbon amorf< 10 %, остаточные неорганические примеси (Fer) < 15 % заключены в капсулах, то есть не действуют. В отличие от своих конкурентов TUBALL не требует никакой очистки. Кроме того к отличительным чертам нанотрубок TUBALL можно отнести: содержание углерода >85%, rasio pita G/D (spektrometri Raman) > 70, yang menegaskan konduktivitas yang sangat baik. Semua hasil dikonfirmasi oleh laboratorium independen, salah satunya Intertek (Mei 2014).

Pertumbuhan luar biasa dan peningkatan signifikan di semua parameter dengan segel kedap udara karet nitril sintetis.

Semua perbedaan ada pada prosesnya

Grafetron 1.0 Mikhail Predtechensky mungkin adalah salah satu mesin yang akan merevolusi abad ke-21. Ini adalah reaktor yang mampu memproses volume besar menggunakan prekursor dan katalis murah. Bagaimana itu bekerja? Ini adalah rahasia mutlak, yang dijaga dengan sangat baik. Christophe Ciara dan Jean-Nicolas Helt dengan tertawa meyakinkan bahwa mereka tidak tahu apa-apa tentang ini dan tidak akan pernah tahu. Dan yang pertama dari semua dokumen untuk pekerjaan, yang mereka tandatangani, seperti semua staf, adalah perjanjian kerahasiaan! " Grafetron 1.0 akan ditampilkan selama konferensi sains pada bulan November, tetapi kami yakin itu tidak akan ada gunanya bagi kami. Tetapi yang paling penting, ini memungkinkan aliran berkelanjutan dari sintesis SWCNT berkualitas tinggi dengan harga yang wajar. Ada perkiraan bahwa 10 ton tahunan ini mewakili 90% dari sintesis dunia untuk nanotube berdinding tunggal. Mulai tahun 2017, perusahaan berencana untuk mulai mensintesis 50 ton lebih banyak nanotube!

Harga produk TUBALL? - Dilarang membicarakannya. Rahasia dagang. Hanya sekarang brosur perusahaan mengungkapkannya: ada perasaan bahwa ini sangat jauh dari perkiraan yang benar, tetapi setidaknya itu memberikan gambaran tentang perkiraan biaya nanotube: pengiriman dari Novosibirsk berharga $8 per gram untuk volume pesanan kecil , $2 untuk pesanan besar. OCSiAl dengan rendah hati memastikan bahwa itu telah mengurangi harga setidaknya 25 kali.

Ingar-bingar perlombaan untuk meningkatkan produksi ini disebabkan oleh keserbagunaan TUBALL. OCSiAl tidak hanya menjual karbon nanotube, tetapi aditif hampir universal yang mampu memberikan peningkatan eksplosif dalam karakteristik sekitar 70% bahan yang berguna di planet kita.

Aditif serbaguna, kinerja luar biasa

Menyebutkan sifat-sifat TUBALL hampir sama dengan melakukan split: semakin jauh Anda menyelam ke kedalaman yang hanya terlihat di bawah mikroskop, semakin tinggi Anda mencapai ketinggian efisiensi! Mari kita bahas secara singkat: stabilitas termalnya dipertahankan hingga 1.000°C, ia 100 kali lebih kuat dari baja, dan luasnya melebihi pemahaman yang masuk akal: 1 gram permukaan yang dikembangkan dari tabung nano TUBALL mencakup 2 lapangan basket, yaitu, 3.000 m 2 .

Semua ini tidak akan banyak berguna tanpa satu properti fundamental tambahan - kemampuannya yang luar biasa untuk menyebar. Berkat tabungnya yang sangat tipis dan panjang, TUBALL menciptakan banyak jaringan yang menyatu tanpa terlihat dengan elemen lain dan membuatnya lebih kuat. Dengan demikian, beberapa volume TUBALL yang konyol, dari 1/1.000 hingga 1/10.000 dari total berat, sudah cukup untuk memberikan karakteristik bahan pertumbuhan yang eksplosif. Single Walled Nanotube (SW) adalah SOLUSI nyata bagi banyak terobosan teknologi abad ke-21.

Botol kecil dengan 1 gram TUBALL, yang OCSiAl taruh di tangan pengunjung agar dia bisa lebih "menghargai" produknya, adalah jaminan sukses 100% ketika mereka mulai membicarakan isinya secara detail: 1015 buah, yaitu 1.000.000.000.000.000 ( satu juta miliar) tabung! Jika mereka diletakkan ujung ke ujung, maka panjang yang dihasilkan akan menjadi sekitar 50 juta kilometer!

Semua yang bisa dilakukan TUBALL, OCSiAl secara singkat disajikan dalam satu diagram dalam bentuk bunga yang indah dengan banyak kelopak. Dengan memilih sifat, konduktivitas, kekuatan, netralitas kimia, transparansi, dll., atau menambahkannya bersama-sama, seseorang membuka banyak kemungkinan aplikasi. TUBALL benar-benar "amp universal" yang diklaimnya.

Dan untuk memfasilitasi penggunaan aditif konduktif, tabung nano TUBALL jarang diberikan dalam bentuk bubuk. Mereka ditawarkan dalam pilihan aplikasi yang jauh lebih nyaman: dalam bentuk cairan, polimer, minyak, karet, dll. bahkan dalam bentuk suspensi dalam pelarut. Ini memastikan kemudahan pencampuran dan dispersi. Misalnya, 50 gram tabung nano TUBALL yang dilarutkan dalam 50 kg epoksi atau poliester langsung memberikan bahan dengan konduktivitas, yang sangat praktis untuk lantai yang bahkan bisa diwarnai!

Fleksibilitas - keamanan

Konsentrat siap pakai memiliki keunggulan lain: memastikan keamanan saat bekerja dengan nanotube. Bentuk utama mereka dan ukurannya yang sangat kecil memungkinkan mereka untuk memasuki jantung sel-sel tubuh manusia, jadi tindakan pencegahan harus diambil, bahkan jika karbon tidak beracun bagi manusia. Tabung nano yang dimasukkan ke dalam matriks tidak dapat menguap di atmosfer, yang membuat penggunaannya aman dan meyakinkan mereka yang takut akan efek karsinogenik, seperti dari asbes. Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) menunjukkan bahwa nanotube mirip dengan serat. Namun, karakteristik tabung nano karbon berdinding tunggal TUBALL sangat berbeda dari tabung nano karbon berdinding banyak, yang telah kami sebutkan di awal. “Agar benar-benar jelas,” Christophe Ciara menyimpulkan, “jika MWCNTs adalah klub golf, TUBALL SWCNTs adalah selang air. Bentuk padat dan adanya kekasaran memungkinkan MWCNT masuk dan menempel pada sel. Tetapi pada saat yang sama, bentuk tabung nano multi-dinding yang kaku dan tidak fleksibel menciptakan sejumlah masalah yang dapat dihindari dengan menggunakan tabung nano TUBALL berdinding tunggal yang fleksibel dan panjang, yang, karena karakteristiknya, tidak menembus ke dalam sel itu sendiri. .

OCSiAl sangat memperhatikan studi masalah ini, oleh karena itu, mengikuti semua penelitian yang dilakukan di dunia. Secara khusus, sejak tahun 2008 perusahaan telah mengawasi pekerjaan BAuA, sebuah lembaga pemerintah Jerman yang mengembangkan standar industri dan, khususnya, mendefinisikan karakteristik produk yang menjamin keselamatan pekerja. TUBALL diambil dalam bentuk paling sederhana - dalam bentuk bubuk, yang dibeli oleh 10% pelanggan. Nanotube telah menerima hasil positif pada keamanan penggunaannya bagi lingkungan. Hanya ada satu masalah: tidak ada cara untuk membersihkan udara nanotube melalui penyaringan, karena, karena ukurannya yang terlalu kecil, mereka menghindari semua bahan yang kita ketahui! Sementara itu, solusi sedang dicari (sedang dikerjakan), OCSiAl tidak melupakan prinsip kehati-hatian, mengusulkan untuk menggunakan jenis perlindungan yang paling efektif untuk bentuk bubuk TUBALL, yang dengan sendirinya sudah wajib ketika bekerja dengan bahan kimia paling berbahaya: masker yang menutupi seluruh wajah, overall, sarung tangan, sepatu bot. Untuk komposisi zat cair, kacamata, sarung tangan, dan terusan sudah cukup.

OCSiAl juga memperhatikan integritas siklus hidup produknya. Berita ini menggembirakan, karena setelah tertanam dalam matriks dan kemudian di bahan baru, nanotube tetap ada. Setelah menerima setiap tingkat perlindungan yang mungkin terhadap bahaya yang dapat mereka bawa, tabung nano TUBALL menjadi agen kimia "normal" yang tunduk pada peraturan paling ketat yang baru-baru ini diperkenalkan. Jadi, dengan senang hati, tetapi tanpa banyak kejutan, OCSiAl menerima sertifikat REACH pada bulan Oktober, yang memungkinkannya memasok hingga 10 ton nanotube per tahun ke pasar Eropa mulai sekarang.

Revolusi Ban Hebat

Sejak awal ban, semua pabrikan telah mencari teknologi yang dapat meningkatkan karakteristik material. Dari aditif seperti tanah liat dan bedak hingga karbon, kami masih berupaya meningkatkan daya tahan ban. Munculnya silikon pada tahun 1991 benar-benar mengubah situasi di pasar. Silikon memungkinkan karet diberikan proporsi universal yang beradaptasi dengan beban tertentu. Silikon telah menjadi bahan penting untuk kinerja ban, tetapi tidak ada apa-apanya dibandingkan dengan lompatan dramatis yang akan datang dengan masuknya TUBALL ke dalam industri ban.

Dengan pengalaman lebih dari 17 tahun di Goodyear, Jean-Nicolas Helt langsung menuju intinya. Diagram di halaman 53 menunjukkan dispersi TUBALL dalam kompon ban. Di sebelah kiri, dua partikel karbon hitam tampak cukup terisolasi di dalam kubus polimer. Gambar tengah menunjukkan hasil penguatan produk menggunakan nanotube karbon berdinding banyak - agak pendek, padat dan dikemas. Melihat gambar, Anda dapat melihat bahwa keuntungannya ternyata cukup lemah dan tidak efektif. Di sebelah kanan, TUBALL, dengan rasio hanya 1/1.000 terhadap berat total, mengisi kubus 100% dengan jaringan nanotube karbon berdinding tunggal yang sangat padat yang saling terkait erat satu sama lain. Dengan demikian, pengisi mini ini memiliki efek penguatan yang hebat karena fakta bahwa pengisi ini sangat terstruktur dan memungkinkan untuk meningkatkan kohesi komponen. Bagaimanapun, koneksi yang diperkuat seperti itu memiliki efek terbaik, memungkinkan untuk mengurangi mobilitas komponen, dan, karenanya, keausannya. Sangat logis bahwa ini Jaringan 3D dari nanotube karbon satu dinding membentuk kerangka kedua di karet ban untuk memperlambat keausan ban. Selain itu, TUBALL bersifat netral secara kimiawi, sehingga lebih tahan terhadap panas, kontaminasi UV dan hidrokarbon dibandingkan bahan baku lainnya.

“Hati-hati,” kata Jean-Nicolas Elt, “TUBALL menangani jelaga dengan cara yang sama seperti silikon. Ban mempertahankan kinerja dasarnya, apalagi, dengan penambahan nanotube karbon berdinding tunggal dalam jumlah yang sangat kecil, kinerjanya mulai meningkat secara signifikan. Keuntungan lain dari TUBALL adalahbahwa itu adalah konduktor yang sangat kuat, sehingga dimungkinkan untuk membuat ban bus 100% silikon, tetapi masih 100% konduktif statis, alih-alih diisolasi. Ini menghilangkan kebutuhan akan butiran karet NdC di ekuator ban ban premium untuk menghilangkan listrik statis ke dalam tanah.” Ini adalah keuntungan signifikan lainnya.

Diagram A. Laba-laba biru mewakili kinerja campuran klasik, area merah muda menunjukkan keuntungan yang dapat diperoleh dengan menambahkan silikon. Sirkuit yang akan dibandingkan dengan sirkuit B berikut, yang membahas masalah ini dengan penambahan TUBALL.

Skema B. Prinsipnya sama dengan skema A sebelumnya, skala nilainya sama. Dapat disimpulkan bahwa permukaan berwarna merah muda menunjukkan peningkatan kinerja dengan penambahan TUBALL.

Polimer dengan penambahan TUBALL

TUBALL memiliki efek yang sama pada polimer seperti halnya pada pengisi penguat. Dengan demikian, para insinyur dapat dengan mudah mengembangkan ban "a la carte", menambahkan polimer ini atau itu, mempertahankan karakteristik ini atau itu, yang tidak akan diperburuk oleh perkembangan kuat dari indikator lain. Misalnya, ketidaksempurnaan beberapa ban pada permukaan kering atau basah dapat dikompensasikan dengan TUBALL. Dan untuk ban sepeda motor, itu juga akan menjadi pilihan yang baik, karena secara bersamaan akan meningkatkan cengkeraman dan keausan. “Itu bisa meningkatkan apa saja,” Jean-Nicolas Helt merangkum secara singkat. Tapi berapa harganya? Mengingat jumlah yang dapat diabaikan untuk ditambahkan ke campuran (beberapa seperseribu dari total berat) dan biaya TUBALL yang wajar, Jean-Nicolas Elt percaya bahwa biaya produksi akan meningkat dari $2 menjadi $3 per ban, yang relatif mahal tetapi dapat ditanggung untuk ban premium. , yang harus menjadi yang pertama mengadopsi TUBALL, karena, bagi mereka, peningkatan efisiensi adalah yang pertama. Dan ini benar sekali, karena banyak produsen sudah melirik TUBALL, terutama setelah menerima hasil positif dari tes yang dilakukan di laboratorium independen, misalnya, di laboratorium No. 1 dunia. Pecahan. Saat itulah semua klaim OCSiAl diuji dan dikonfirmasi, termasuk fakta bahwa melebihi jumlah kecil yang ditentukan oleh TUBALL tidak membawa perbaikan apa pun. "Anda tidak perlu menambahkan lebih dari yang Anda butuhkan," adalah kesimpulannya!

Kesimpulan juga menyatakan bahwa takaran TUBALL untuk campuran sangat sederhana, karena prosesnya sendiri tidak berubah (pencampuran, ekstrusi, perebusan, dll) dan Anda hanya perlu membuka tangki TUBALL untuk menuangkan isinya ke dalam mixer Banbury. OCSiAl memasok TUBALL MATRIX 603 ke pasar dalam bentuk konsentrat siap pakai - tabung nano yang dicampur dengan karet sintetis (alami, styrene butadiene, nitrile butadiene, dll.) ditambah oli proses tridecyl alcohol ethoxylate (TDAE), yang paling sering digunakan untuk ban. TUBALL juga ada dalam bentuk suspensi dalam berbagai pelarut (MEK, isopropanol, etilena glikol, etil asetat, N-metilpirolidon, gliserin atau bahkan air). Ideal dalam hal keamanan, formulasi ini sangat mudah digunakan.

Sederhana dan sempurna untuk digunakan, solusi ini dapat dibuat lebih mudah dengan menambahkan TUBALL ke polimer pada saat polimerisasinya: tidak ada lagi langkah ekstra selama pencampuran! Metode pengenalan polimer pada saat kelahiran ini "menggeser" masalah dari produsen ke pemasok karet sintetis, tetapi OCSiAl telah memikirkan hal ini, setelah memulai kerja sama dengan LANXESS. Dengan kata lain, TUBALL telah bersiap untuk memasuki industri ban melalui dua pintu sekaligus, yang berarti kemajuannya akan semakin cepat.

Bahkan jika penambahan karet alam hanya dapat terjadi pada saat pencampuran, penggunaan TUBALL akan mencapai prospek yang bagus meskipun ditambahkan secara langsung selama proses pembuatan ke karet sintesis lainnya, isoprena atau nitril butadiena. Yang terakhir membuat lompatan nyata dalam industri, pindah ke tingkat baru kekuatan paking di semua bidang ... Sederhananya, pasar ban, karet industri (sarung tangan ahli bedah lateks beralih ke TUBALL), polimer, elastomer, komposit, baterai, fotovoltaik, layar fleksibel, tinta magnetik, beton antistatik, cat, keramik, tembaga, semikonduktor, kaca patri, pita perekat, dll. adalah semua area target di mana TUBALL dapat diterapkan. Dan sekarang kami lebih memahami semua prospek proyek " Grafetron 50" bertujuan untuk memberikan peningkatan kinerja yang eksplosif untuk 70% produk yang ada di industri...

Skema C. Garis lurus di bawah ini adalah senyawa klasik, garis putus-putus hijau adalah campuran dengan penambahan silikon, sedangkan garis melintang biru menunjukkan peningkatan kinerja ban dengan penambahan TUBALL.

Sudah kompetisi...

Bagi yang masih ragu dengan kelebihan yang ditawarkan kepada produsen ban dengan menggunakan TUBALL, Jean-Nicolas Elt menghadirkan tiga skema. Dua yang pertama adalah "laba-laba" klasik yang membandingkan "efisiensi" dari tiga jenis ban yang berbeda - konvensional, disempurnakan dengan silikon dan ban dengan tambahan TUBALL. Tabel pertama (A) memvisualisasikan dalam bentuk zona warna pink muda, terobosan yang dicapai melalui penggunaan silikon tentu penting, tetapi masih jauh dari mempengaruhi seluruh rentang karakteristik ban.

Yang kedua (B) didasarkan pada prinsip yang sama, tetapi kali ini, zona TUBALL berwarna merah muda terang menempati sebagian besar area, menunjukkan peningkatan kinerja yang signifikan di hampir semua parameter. Selain itu, rendahnya volume bahan yang digunakan cukup mengejutkan: 0,2% dalam konsentrat karet alam, 0,1% untuk dua lainnya, dalam bentuk konsentrat minyak.

Skema ketiga (C) telah lama dikenal di pers khusus. Dua garis lurus menentukan karakteristik campuran "jelaga" (bawah, berwarna biru tua) dan kinerja "silikon", yang lebih efektif, yang disorot dalam garis putus-putus hijau. Garis lurus ketiga, yang membentang dengan jelas dari atas, memvisualisasikan campuran dengan penambahan TUBALL - disorot dengan warna biru di bagian atas. Grafik dengan jelas menunjukkan keuntungan yang diberikan oleh nanotube karbon berdinding tunggal.

Beberapa produsen sudah siap untuk menjadi yang terdepan dengan mengumumkan penggunaan nanokarbon. Bukan berarti pabrikan lain tidak lagi menggunakan nanokarbon, meski mereka tidak membicarakannya... Sejak awal tahun, pabrikan ban sepeda Vittoria telah menjual ban dengan tambahan graphene, bahan dasar untuk nanotube TUBALL (kembali ke awal artikel jika Anda sudah lupa!). Vittoria menggunakannya sebagai lapisan yang tertanam di ban dan mengklaim telah menemukan kompromi yang sampai sekarang tidak dapat dicapai: meningkatkan ketahanan gelinding sambil juga mencapai ketahanan tusuk ban, karakteristik yang sangat penting bagi pengendara sepeda. "Tingkatkan semuanya sekaligus" - sekarang kompetisi mengkonfirmasi kata-kata Jean-Nicolas Elta...

Berita kedua datang dari China, di mana Sentury Tire dan Huago mencapai kesepakatan pada bulan Agustus untuk membuat ban yang mengandung graphene. Kami belum tahu bagaimana caranya, tetapi bagaimanapun juga, teknologinya akan sangat berbeda dengan ban Vittoria. Berita seperti ini menunjukkan kemajuan secara keseluruhan: rolling resistance dan waktu tempuh 1,5. Dan berikut adalah dua perwakilan perusahaan menunjukkan graphene mereka "anak sulung" pada pertemuan besar spesialis karbon "GrapChina" pada 22 September. Pada saat yang sama dan pada pertemuan yang sama, pabrikan Shangdong secara resmi mengumumkan bahwa mereka sekarang akan memproduksi ban yang ditambahkan graphene. Dan semua orang yang menggunakannya mengacu pada fakta bahwa itu ditemukan oleh pemenang Nobel. Ini adalah argumen yang tidak dapat diklaim oleh TUBALL, bahkan jika nanotube ditemukan sebelum graphene!

Kami yakin jumlah berita semacam ini akan berkembang sangat cepat. Tahun 2016 menandai titik awal karbon di industri ban. Dan pergeseran ini baru saja dimulai, dan OCSiAl, dengan nanotube-nya, berada di garis depan transformasi ini. Dan ini adalah proses yang patut menjadi perhatian kita... Selama bertahun-tahun yang akan datang...

Jean Pierre Gosselin

Pengantar:

Nanotube dapat bertindak tidak hanya sebagai bahan yang dipelajari, tetapi juga sebagai alat penelitian. Berdasarkan nanotube, adalah mungkin, misalnya, untuk membuat skala mikroskopis. Kami mengambil nanotube, menentukan (dengan metode spektroskopi) frekuensi osilasi alami, kemudian melampirkan sampel uji untuk itu dan menentukan frekuensi osilasi dari nanotube dimuat. Frekuensi ini akan lebih kecil dari frekuensi osilasi tabung nano gratis: setelah semua, massa sistem telah meningkat, tetapi kekakuannya tetap sama (ingat rumus untuk frekuensi osilasi beban pada pegas). Misalnya, dalam pekerjaan ditemukan bahwa beban mengurangi frekuensi osilasi dari 3,28 MHz menjadi 968 kHz, dari mana massa beban diperoleh 22 + - 8 fg (femtogram, yaitu 10-15 gram!)

Contoh lain, ketika nanotube adalah bagian dari perangkat fisik, adalah ketika "dipasang" di ujung terowongan pemindaian atau mikroskop kekuatan atom. Biasanya titik seperti itu adalah jarum tungsten yang diasah dengan tajam, tetapi menurut standar atom, penajaman seperti itu masih cukup kasar. Sebuah nanotube, di sisi lain, adalah jarum yang ideal dengan diameter urutan beberapa atom. Dengan menerapkan tegangan tertentu, dimungkinkan untuk mengambil atom dan seluruh molekul yang terletak di substrat langsung di bawah jarum, dan memindahkannya dari satu tempat ke tempat lain.

Sifat listrik yang tidak biasa dari nanotube akan menjadikannya salah satu bahan utama nanoelektronika. Prototipe transistor efek medan berdasarkan nanotube tunggal telah dibuat: dengan menerapkan tegangan pemblokiran beberapa volt, para ilmuwan telah belajar untuk mengubah konduktivitas nanotube lapisan tunggal dengan 5 kali lipat!

Beberapa aplikasi nanotube dalam industri komputer telah dikembangkan. Misalnya, prototipe layar datar tipis berdasarkan matriks nanotube telah dibuat dan diuji. Di bawah aksi tegangan yang diterapkan ke salah satu ujung nanotube, elektron mulai dipancarkan dari ujung yang lain, yang jatuh di layar berpendar dan menyebabkan piksel bersinar. Butir gambar yang dihasilkan akan sangat kecil: di urutan mikron!

nanotube karbon (tubulen) adalah struktur silinder yang diperpanjang dengan diameter satu hingga beberapa puluh nanometer dan panjang hingga beberapa sentimeter, terdiri dari satu atau lebih bidang grafit heksagonal yang digulung menjadi tabung dan biasanya berakhir dengan kepala hemisfer, yang dapat dianggap setengah molekul fullerene

Struktur nanotube:

Untuk mendapatkan nanotube (n, m), bidang grafit harus dipotong mengikuti arah garis putus-putus dan digulung mengikuti arah vektor. R .

Tabung nano yang ideal adalah bidang grafit yang digulung menjadi silinder, yaitu permukaan yang dilapisi dengan segi enam biasa, di bagian atas tempat atom karbon berada. Hasil dari operasi tersebut tergantung pada sudut orientasi bidang grafit terhadap sumbu nanotube. Sudut orientasi, pada gilirannya, menentukan kiralitas nanotube, yang menentukan, khususnya, karakteristik listriknya.

Kiralitas nanotube dilambangkan dengan serangkaian simbol (m, n) yang menunjukkan koordinat segi enam, yang, sebagai hasil dari pelipatan bidang, harus bertepatan dengan segi enam di titik asal.

Cara lain untuk menunjukkan kiralitas adalah dengan menunjukkan sudut antara arah lipatan nanotube dan arah di mana segi enam yang berdekatan berbagi sisi yang sama. Namun, dalam hal ini, untuk deskripsi lengkap dari geometri nanotube, perlu untuk menentukan diameternya. Indeks kiralitas nanotube lapisan tunggal (m, n) secara unik menentukan diameternya D. Hubungan ini memiliki bentuk sebagai berikut:

di mana d 0 = 0,142 nm - jarak antara atom karbon yang berdekatan di bidang grafit. Hubungan antara indeks kiralitas (m, n) dan sudut diberikan oleh:

Di antara berbagai kemungkinan arah pelipatan nanotube, ada yang penyelarasan segi enam (m, n) dengan asal tidak memerlukan distorsi strukturnya. Arah ini sesuai, khususnya, dengan sudut = 0 (konfigurasi kursi berlengan) dan = 30° (konfigurasi zigzag). Konfigurasi ini sesuai dengan kiralitas (m, 0) dan (2n, n), masing-masing.

(jenis nanotube)

nanotube dinding tunggal:

Struktur nanotube berdinding tunggal yang diamati secara eksperimental berbeda dalam banyak hal dari gambar ideal yang disajikan di atas. Pertama-tama, ini menyangkut simpul dari tabung nano, yang bentuknya, sebagai berikut dari pengamatan, jauh dari belahan bumi yang ideal.

Tempat khusus di antara nanotube berdinding tunggal ditempati oleh apa yang disebut nanotube kursi atau nanotube dengan kiralitas [10, 10]. Dalam nanotube jenis ini, dua dari ikatan C-C yang membentuk setiap cincin beranggota enam berorientasi sejajar dengan sumbu longitudinal tabung. Tabung nano dengan struktur seperti itu harus memiliki struktur logam murni.

Nanotube berdinding banyak:

Tabung nano berdinding banyak berbeda dari tabung nano berdinding tunggal dalam variasi bentuk dan konfigurasi yang jauh lebih luas. Keragaman struktur dimanifestasikan baik dalam arah memanjang dan melintang.

Struktur tipe "boneka bersarang Rusia" (boneka Rusia) (Gbr. a) adalah satu set tabung silinder bersarang koaksial. Variasi lain dari struktur ini (Gbr. b) adalah satu set prisma koaksial bersarang. Terakhir, struktur terakhir di atas (Gbr. c) menyerupai gulungan (scroll). Untuk semua struktur pada Gambar. nilai karakteristik jarak antara lapisan grafit yang berdekatan, mendekati nilai 0,34 nm, melekat pada jarak antara bidang grafit kristal yang berdekatan.

Implementasi satu atau lain struktur nanotube berdinding banyak dalam situasi eksperimental tertentu tergantung pada kondisi sintesis. Analisis data eksperimen yang tersedia menunjukkan bahwa struktur paling khas dari tabung nano berdinding banyak adalah struktur dengan bagian-bagian dari jenis "boneka Rusia" dan "papier-mâché" yang terletak secara bergantian di sepanjang panjangnya. Dalam hal ini, "tabung" dengan ukuran lebih kecil berturut-turut bersarang di tabung yang lebih besar. Model seperti itu didukung, misalnya, oleh fakta tentang interkalasi kalium atau besi klorida ke dalam ruang "selaput" dan pembentukan struktur jenis "manik".

Sejarah pembukaan:

Seperti diketahui, fullerene (C 60) ditemukan oleh kelompok Smalley, Kroto, dan Curl pada tahun 1985, di mana para peneliti ini dianugerahi Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1996. Adapun nanotube karbon, tanggal pasti penemuan mereka tidak dapat diberikan di sini. Meskipun pengamatan Iijima tahun 1991 tentang struktur tabung nano berdinding banyak adalah pengetahuan umum, ada bukti awal untuk penemuan tabung nano karbon. Jadi, misalnya, pada 1974-1975. Endo dkk menerbitkan sejumlah makalah yang menjelaskan tabung tipis dengan diameter kurang dari 100 yang dibuat dengan kondensasi uap, tetapi tidak ada studi lebih rinci tentang struktur yang dilakukan. Sekelompok ilmuwan dari Institut Katalisis Cabang Siberia dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet pada tahun 1977, ketika mempelajari karbonisasi katalis dehidrogenasi besi-kromium di bawah mikroskop, mencatat pembentukan "dendrit karbon berongga", sementara mekanisme formasi diusulkan dan struktur dinding dijelaskan. Pada tahun 1992, sebuah artikel diterbitkan di Nature yang menyatakan bahwa nanotube diamati pada tahun 1953. Setahun sebelumnya, pada tahun 1952, sebuah artikel oleh ilmuwan Soviet Radushkevich dan Lukyanovich melaporkan pengamatan mikroskopis elektron dari serat dengan diameter sekitar 100 nm, diperoleh oleh dekomposisi termal karbon oksida pada katalis besi. Studi ini juga tidak dilanjutkan.

Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia

Institusi Pendidikan Profesional Tinggi Negara Federal

Universitas Teknologi Kimia Rusia D.I. Mendeleev

Fakultas Kimia Perminyakan dan Material Polimer

Departemen Teknologi Kimia Bahan Karbon

LAPORAN PRAKTEK

pada topik CARBON NANOTUBE DAN NANOVOLKS

Diselesaikan oleh: Marinin S. D.

Diperiksa oleh: Doktor Ilmu Kimia, Bukharkina T.V.

Moskow, 2013

pengantar

Bidang nanoteknologi dianggap di seluruh dunia sebagai topik kunci untuk teknologi abad ke-21. Kemungkinan aplikasi serbaguna mereka di bidang ekonomi seperti produksi semikonduktor, kedokteran, teknologi sensor, ekologi, otomotif, bahan bangunan, bioteknologi, kimia, penerbangan dan kedirgantaraan, teknik mesin dan industri tekstil, membawa potensi besar untuk pertumbuhan. Penggunaan produk nanoteknologi akan menghemat bahan baku dan konsumsi energi, mengurangi emisi ke atmosfer dan dengan demikian berkontribusi pada pembangunan ekonomi yang berkelanjutan.

Perkembangan di bidang nanoteknologi dilakukan oleh bidang interdisipliner baru - nanosains, salah satunya adalah nanokimia. Nanokimia muncul pada pergantian abad, ketika tampaknya segala sesuatu dalam kimia sudah terbuka, semuanya jelas, dan yang tersisa hanyalah menggunakan pengetahuan yang diperoleh untuk kepentingan masyarakat.

Ahli kimia selalu mengetahui dan memahami dengan baik pentingnya atom dan molekul sebagai blok bangunan dasar dari fondasi kimia yang sangat besar. Pada saat yang sama, pengembangan metode penelitian baru, seperti mikroskop elektron, spektroskopi massa yang sangat selektif, dikombinasikan dengan metode persiapan sampel khusus, memungkinkan untuk memperoleh informasi tentang partikel yang mengandung jumlah atom yang kecil, kurang dari seratus. .

Partikel-partikel ini, berukuran sekitar 1 nm (10-9 m hanya satu milimeter dibagi satu juta), memiliki sifat kimia yang tidak biasa dan sulit diprediksi.

Yang paling terkenal dan dapat dimengerti oleh kebanyakan orang adalah struktur nano berikut seperti fullerene, graphene, carbon nanotube dan nanofibers. Mereka semua terdiri dari atom karbon yang terikat satu sama lain, tetapi bentuknya sangat bervariasi. Grafena adalah bidang, lapisan tunggal, "selubung" atom karbon di SP 2 hibridisasi. Fullerene adalah poligon tertutup, agak mengingatkan pada bola sepak. Nanotube adalah badan volumetrik berongga silinder. Serat nano bisa berbentuk kerucut, silinder, mangkuk. Dalam pekerjaan saya, saya akan mencoba menyoroti nanotube dan nanofiber dengan tepat.

Struktur nanotube dan nanofibers

Apa itu karbon nanotube? Carbon nanotube adalah material karbon yang berbentuk silinder dengan diameter orde beberapa nanometer, terdiri dari bidang-bidang grafit yang digulung menjadi sebuah tabung. Bidang grafit adalah kisi heksagonal kontinu dengan atom karbon di simpul segi enam. Karbon nanotube dapat bervariasi dalam panjang, diameter, kiralitas (simetri bidang grafit yang digulung), dan jumlah lapisan. Kiralitas<#"280" src="doc_zip1.jpg" />

nanotube berdinding tunggal. Karbon nanotube berdinding tunggal (SWCNTs) adalah subspesies dari serat nano karbon dengan struktur yang dibentuk dengan melipat graphene menjadi silinder dengan sisi-sisinya bergabung tanpa jahitan. Menggulung graphene menjadi silinder tanpa jahitan hanya mungkin dalam beberapa cara yang terbatas, berbeda dalam arah vektor dua dimensi yang menghubungkan dua titik ekivalen pada graphene yang bertepatan ketika digulung menjadi silinder. Vektor ini disebut vektor kiralitas nanotube karbon lapisan tunggal. Dengan demikian, nanotube karbon berdinding tunggal berbeda dalam diameter dan kiralitas. Diameter nanotube berdinding tunggal, menurut data eksperimen, bervariasi dari ~ 0,7 nm hingga ~ 3-4 nm. Panjang nanotube berdinding tunggal dapat mencapai 4 cm. Ada tiga bentuk SWCNT: tipe "kursi" achiral (dua sisi setiap segi enam berorientasi tegak lurus terhadap sumbu CNT), tipe "zigzag" achiral (masing-masing dua sisi segi enam berorientasi sejajar dengan sumbu CNT), dan kiral atau heliks (masing-masing sisi segi enam terletak pada sumbu CNT pada sudut selain 0 dan 90 º ). Dengan demikian, CNT akiral dari tipe "kursi" dicirikan oleh indeks (n, n), dari tipe "zigzag" - (n, 0), kiral - (n, m).

nanotube berdinding banyak. Multilayer carbon nanotube (MWCNTs) adalah subspesies dari carbon nanofibers dengan struktur yang dibentuk oleh beberapa single-layer carbon nanotube (lihat Gambar 2). Diameter luar nanotube berdinding banyak bervariasi pada rentang yang luas dari beberapa nanometer hingga puluhan nanometer.

Jumlah lapisan dalam MWCNT paling sering tidak lebih dari 10, tetapi dalam beberapa kasus mencapai beberapa puluh.

Kadang-kadang, di antara nanotube multilayer, nanotube dua lapis dipilih sebagai tipe khusus. Struktur tipe "boneka Rusia" adalah satu set tabung silinder bersarang koaksial. Jenis lain dari struktur ini adalah seperangkat prisma koaksial bersarang. Terakhir, struktur terakhir ini menyerupai gulungan (scroll). Untuk semua struktur pada Gambar. nilai karakteristik jarak antara lapisan graphene yang berdekatan, mendekati nilai 0,34 nm, melekat pada jarak antara bidang grafit kristal yang berdekatan<#"128" src="doc_zip3.jpg" />

Matryoshka Roll Papier-mache Rusia

Carbon nanofibers (CNFs) adalah kelas bahan di mana lapisan graphene melengkung atau nanocones dilipat menjadi filamen satu dimensi yang struktur internalnya dapat dicirikan oleh sudut? antara lapisan graphene dan sumbu serat. Satu perbedaan umum adalah antara dua jenis serat utama: Herringbone, dengan lapisan graphene berbentuk kerucut yang padat dan besar, dan Bambu, dengan lapisan graphene seperti cangkir silinder dan kecil, yang lebih seperti nanotube karbon berdinding banyak.<#"228" src="doc_zip4.jpg" />

a - "kolom koin" nanofiber;

b - "struktur pohon Natal" nanofiber (tumpukan kerucut, "tulang ikan");

c - nanofiber "tumpukan cangkir" ("kap lampu");

d - nanotube "matryoshka Rusia";

e - nanofiber berbentuk bambu;

e - nanofiber dengan bagian bulat;

g - nanofiber dengan bagian polihedral

Isolasi nanotube karbon sebagai subspesies terpisah disebabkan oleh fakta bahwa sifat mereka berbeda secara nyata menjadi lebih baik dari sifat-sifat jenis serat nano karbon lainnya. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa lapisan graphene, yang membentuk dinding nanotube sepanjang panjangnya, memiliki kekuatan tarik tinggi, konduktivitas termal dan listrik. Berbeda dengan ini, transisi dari satu lapisan graphene ke lapisan lain terjadi pada serat nano karbon yang bergerak di sepanjang dinding. Kehadiran kontak interlayer dan cacat tinggi struktur nanofibers secara signifikan merusak karakteristik fisik mereka.

Cerita

Sulit untuk berbicara tentang sejarah nanotube dan nanofibers secara terpisah, karena produk ini sering menyertai satu sama lain selama sintesis. Salah satu data pertama tentang produksi serat nano karbon mungkin adalah paten tahun 1889 untuk produksi bentuk tabung karbon yang terbentuk selama pirolisis campuran CH4 dan H2 dalam wadah besi oleh Hughes and Chambers. Mereka menggunakan campuran metana dan hidrogen untuk menumbuhkan filamen karbon dengan pirolisis gas, diikuti dengan pengendapan karbon. Menjadi mungkin untuk berbicara tentang mendapatkan serat ini dengan pasti jauh di kemudian hari, ketika menjadi mungkin untuk mempelajari strukturnya menggunakan mikroskop elektron. Pengamatan pertama serat nano karbon menggunakan mikroskop elektron dilakukan pada awal 1950-an oleh ilmuwan Soviet Radushkevich dan Lukyanovich, yang menerbitkan sebuah artikel di Jurnal Kimia Fisik Soviet yang menunjukkan serat grafit berongga dari karbon yang berdiameter 50 nanometer. Pada awal 1970-an, peneliti Jepang Koyama dan Endo berhasil memproduksi serat karbon dengan deposisi uap (VGCF) dengan diameter 1 m dan panjang lebih dari 1 mm. Kemudian, pada awal 1980-an, Tibbets di AS dan Benissad di Prancis terus meningkatkan proses serat karbon (VGCF). Di AS, penelitian yang lebih mendalam tentang sintesis dan sifat bahan ini untuk aplikasi praktis dilakukan oleh R. Terry K. Baker dan dimotivasi oleh kebutuhan untuk menekan pertumbuhan serat nano karbon karena masalah persisten yang disebabkan oleh bahan. akumulasi dalam berbagai proses komersial, terutama di bidang penyulingan minyak. Upaya pertama untuk mengkomersialkan serat karbon yang tumbuh dari fase gas dilakukan oleh perusahaan Jepang Nikosso pada tahun 1991 dengan nama merek Grasker, pada tahun yang sama Ijima menerbitkan artikel terkenalnya yang melaporkan penemuan karbon nanotube.<#"justify">Resi

Saat ini, sintesis berdasarkan pirolisis hidrokarbon dan sublimasi dan desublimasi grafit terutama digunakan.

Sublimasi-desublimasi grafitdapat dilaksanakan dengan beberapa cara:

• metode busur,
• pemanasan berseri (penggunaan konsentrator surya atau radiasi laser),
• laser-termal,
• pemanasan dengan berkas elektron atau ion,
• sublimasi plasma,
• pemanasan resistif.

Banyak dari opsi ini memiliki variasinya sendiri. Hirarki beberapa varian metode busur listrik ditunjukkan pada diagram:

Saat ini, metode sputtering termal elektroda grafit dalam plasma pelepasan busur adalah yang paling umum. Proses sintesis dilakukan dalam ruang yang diisi dengan helium pada tekanan sekitar 500 mm Hg. Seni. Selama pembakaran plasma, penguapan termal yang intens dari anoda terjadi, sementara deposit terbentuk pada permukaan ujung katoda, di mana nanotube karbon terbentuk. Jumlah maksimum nanotube terbentuk ketika arus plasma minimal dan densitasnya sekitar 100 A/cm2. Dalam pengaturan eksperimental, tegangan antara elektroda sekitar 15-25 V, arus pelepasan beberapa puluh ampere, dan jarak antara ujung elektroda grafit adalah 1-2 mm. Selama proses sintesis, sekitar 90% dari massa anoda disimpan di katoda. Banyak nanotube yang dihasilkan memiliki panjang sekitar 40 m. Mereka tumbuh di katoda tegak lurus terhadap permukaan datar ujungnya dan dikumpulkan menjadi balok silinder dengan diameter sekitar 50 m.

Bundel nanotube secara teratur melapisi permukaan katoda, membentuk struktur sarang lebah. Isi nanotube dalam deposit karbon adalah sekitar 60%. Untuk memisahkan komponen, endapan yang dihasilkan ditempatkan dalam metanol dan disonikasi. Hasilnya adalah suspensi yang, setelah penambahan air, mengalami pemisahan dalam centrifuge. Partikel besar menempel pada dinding centrifuge, sedangkan nanotube tetap mengambang dalam suspensi. Kemudian nanotube dicuci dengan asam nitrat dan dikeringkan dalam aliran gas oksigen dan hidrogen dengan perbandingan 1:4 pada suhu 750 0C selama 5 menit. Sebagai hasil dari pemrosesan tersebut, bahan berpori ringan diperoleh, terdiri dari banyak nanotube dengan diameter rata-rata 20 nm dan panjang 10 m. Sejauh ini, panjang nanofiber maksimum yang dicapai adalah 1 cm.

Pirolisis hidrokarbon

Dalam hal pilihan reagen awal dan metode pelaksanaan proses, kelompok ini memiliki jumlah pilihan yang jauh lebih besar daripada metode sublimasi dan desublimasi grafit. Ini memberikan kontrol yang lebih tepat atas proses pembentukan CNT, lebih cocok untuk produksi skala besar dan memungkinkan produksi tidak hanya karbon nanomaterial itu sendiri, tetapi juga struktur tertentu pada substrat, serat makroskopik yang terdiri dari nanotube, serta material komposit, khususnya, dimodifikasi dengan karbon CNT, serat karbon dan kertas karbon, komposit keramik. Menggunakan litografi nanospheric yang dikembangkan baru-baru ini, dimungkinkan untuk mendapatkan kristal fotonik dari CNT. Dengan cara ini, dimungkinkan untuk mengisolasi CNT dengan diameter dan panjang tertentu.

Keuntungan dari metode pirolitik, selain itu, termasuk kemungkinan penerapannya untuk sintesis matriks, misalnya, menggunakan membran alumina berpori atau saringan molekuler. Menggunakan aluminium oksida, dimungkinkan untuk mendapatkan CNT bercabang dan membran CNT. Kerugian utama dari metode matriks adalah tingginya biaya banyak matriks, ukurannya yang kecil, dan kebutuhan untuk menggunakan reagen aktif dan kondisi yang sulit untuk melarutkan matriks.

Pirolisis tiga hidrokarbon, metana, asetilena, dan benzena, serta dekomposisi termal (disproporsionasi) CO paling sering digunakan untuk sintesis CNT dan CNF. Metana, seperti karbon monoksida, tidak rentan terhadap dekomposisi pada suhu rendah (dekomposisi non-katalitik metana dimulai pada ~900 tentang C), yang memungkinkan untuk mensintesis SWCNT dengan jumlah pengotor karbon amorf yang relatif kecil. Karbon monoksida tidak terurai pada suhu rendah karena alasan lain: kinetik. Perbedaan perilaku berbagai zat terlihat pada Gambar. 94.

Keuntungan metana dibandingkan hidrokarbon dan karbon monoksida lainnya termasuk fakta bahwa pirolisisnya dengan pembentukan CNT atau CNF dikombinasikan dengan pelepasan H 2dan dapat digunakan dalam produksi H2 yang ada .

Katalis

Katalis untuk pembentukan CNT dan CNF adalah Fe, Co, dan Ni; promotor, yang diperkenalkan dalam jumlah yang lebih kecil, terutama Mo, W atau Cr (lebih jarang - V, Mn, Pt dan Pd), pembawa katalis adalah oksida non-volatil dan hidroksida logam (Mg, Ca, Al, La, Si , Ti, Zr) , larutan padat, beberapa garam dan mineral (karbonat, spinel, perovskit, hidrotalsit, lempung alam, diatomit), ayakan molekuler (khususnya zeolit), silika gel, aerogel, aluminium gel, Si berpori dan C amorf Pada saat yang sama, V, Cr, Mo, W, Mn dan, mungkin, beberapa logam lain dalam kondisi pirolisis dalam bentuk senyawa - oksida, karbida, metalat, dll.

Logam mulia (Pd, Ru, PdSe), paduan (mischmetal, permalloy, nichrome, monel, stainless steel, Co-V, Fe-Cr, Fe-Sn, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-C, Co-Fe -Ni, paduan keras Co-WC, dll.), CoSi 2dan CoGe 2, LaNi 5, MmNi 5(Mm - mischmetal), paduan Zr dan logam pembentuk hidrida lainnya. Sebaliknya, Au dan Ag menghambat pembentukan CNT.

Katalis dapat diendapkan pada silikon yang dilapisi dengan film oksida tipis, pada germanium, beberapa jenis kaca, dan substrat yang terbuat dari bahan lain.

Silikon berpori yang diperoleh dengan etsa elektrokimia silikon kristal tunggal dalam larutan dengan komposisi tertentu dianggap sebagai pembawa katalis yang ideal. Silikon berpori mungkin mengandung pori mikro (< 2 нм), мезопоры и макропоры (>100nm). Untuk mendapatkan katalis, metode tradisional digunakan:

• pencampuran (jarang sintering) bubuk;
• deposisi atau deposisi elektrokimia logam pada substrat, diikuti dengan transformasi film tipis yang berkesinambungan menjadi pulau berukuran nano (deposisi lapis demi lapis dari beberapa logam juga digunakan;
• deposisi uap kimia;
• mencelupkan substrat ke dalam larutan;
• menerapkan suspensi partikel katalis ke substrat;
• menerapkan solusi ke substrat yang berputar;
• impregnasi bubuk inert dengan garam;
• kopresipitasi oksida atau hidroksida;
• pertukaran ion;
• metode koloid (proses sol-gel, metode misel terbalik);
• dekomposisi termal garam;
• pembakaran nitrat logam.

Selain dua kelompok yang dijelaskan di atas, sejumlah besar metode lain untuk memperoleh CNT telah dikembangkan. Mereka dapat diklasifikasikan menurut sumber karbon yang digunakan. Senyawa awal adalah: grafit dan bentuk lain dari karbon padat, senyawa organik, senyawa anorganik, senyawa organologam. Grafit dapat diubah menjadi CNT dalam beberapa cara: dengan penggilingan bola intens diikuti oleh anil suhu tinggi; elektrolisis garam cair; membelah menjadi lembaran graphene yang terpisah dan pemuntiran spontan selanjutnya dari lembaran-lembaran ini. Karbon amorf dapat diubah menjadi CNT ketika diproses dalam kondisi hidrotermal. CNT diperoleh dari karbon hitam (jelaga) dengan transformasi suhu tinggi dengan atau tanpa katalis, serta interaksi dengan uap air di bawah tekanan. Struktur nanotubular terkandung dalam produk anil vakum (1000 tentang C) film karbon seperti berlian dengan adanya katalis. Akhirnya, transformasi suhu tinggi katalitik dari fullerite C 60atau perlakuannya dalam kondisi hidrotermal juga mengarah pada pembentukan CNT.

Karbon nanotube ada di alam. Sekelompok peneliti Meksiko menemukan mereka dalam sampel minyak yang diambil dari kedalaman 5,6 km (Velasco-Santos, 2003). Diameter CNT berkisar dari beberapa nanometer hingga puluhan nanometer, dan panjangnya mencapai 2 m. Beberapa dari mereka diisi dengan berbagai nanopartikel.

Pemurnian karbon nanotube

Tak satu pun dari metode umum untuk mendapatkan CNT memungkinkan mereka untuk diisolasi dalam bentuk murni mereka. Kotoran untuk NT dapat berupa fullerene, karbon amorf, partikel grafit, partikel katalis.

Ada tiga kelompok metode pembersihan CNT:

1. destruktif,
2. tidak merusak,
3. digabungkan.

Metode destruktif menggunakan reaksi kimia, yang dapat bersifat oksidatif atau reduktif, dan didasarkan pada perbedaan reaktivitas berbagai bentuk karbon. Untuk oksidasi, baik larutan oksidator atau reagen gas digunakan; untuk reduksi, hidrogen digunakan. Metode memungkinkan untuk mengisolasi CNT kemurnian tinggi, tetapi berhubungan dengan hilangnya tabung.

Metode non-destruktif meliputi ekstraksi, flokulasi dan presipitasi selektif, mikrofiltrasi aliran silang, kromatografi eksklusi, elektroforesis, reaksi selektif dengan polimer organik. Sebagai aturan, metode ini tidak efisien dan tidak efisien.

Sifat nanotube karbon

Mekanis. Nanotube, seperti yang dikatakan, adalah bahan yang sangat kuat, baik dalam tegangan maupun lentur. Selain itu, di bawah aksi tekanan mekanis melebihi yang kritis, nanotube tidak "pecah", tetapi disusun ulang. Berdasarkan sifat kekuatan tinggi dari nanotube, dapat dikatakan bahwa mereka adalah bahan terbaik untuk tambatan elevator ruang angkasa saat ini. Seperti yang ditunjukkan oleh hasil eksperimen dan simulasi numerik, modulus Young dari tabung nano satu lapis mencapai nilai orde 1-5 TPa, yang merupakan orde besarnya lebih besar daripada baja. Grafik di bawah ini menunjukkan perbandingan antara nanotube berdinding tunggal dan baja berkekuatan tinggi.

Kabel elevator ruang angkasa diperkirakan tahan terhadap tekanan mekanis 62,5 GPa

Diagram tarik (ketergantungan tegangan mekanis ? dari perpanjangan relatif?)

Untuk menunjukkan perbedaan yang signifikan antara bahan terkuat saat ini dan nanotube karbon, mari lakukan eksperimen pemikiran berikut. Bayangkan, seperti yang diasumsikan sebelumnya, struktur homogen berbentuk baji tertentu yang terdiri dari bahan yang paling tahan lama hingga saat ini akan berfungsi sebagai kabel untuk lift ruang angkasa, maka diameter kabel di GEO (orbit bumi geostasioner) akan menjadi sekitar 2 km dan akan menyempit menjadi 1 mm di permukaan bumi. Dalam hal ini, total massa akan menjadi 60 * 1010 ton. Jika nanotube karbon digunakan sebagai bahan, maka diameter kabel di GEO adalah 0,26 mm dan 0,15 mm di permukaan bumi, dan dengan demikian massa totalnya adalah 9,2 ton. Seperti yang dapat dilihat dari fakta di atas, serat nano karbon adalah bahan yang tepat untuk membangun kabel, dengan diameter sebenarnya sekitar 0,75 m, untuk menahan juga sistem elektromagnetik yang digunakan untuk mendorong mobil elevator ruang angkasa.

Listrik. Karena ukuran nanotube karbon yang kecil, hanya pada tahun 1996 dimungkinkan untuk secara langsung mengukur resistivitas listriknya menggunakan metode empat cabang.

Garis-garis emas diendapkan pada permukaan silikon oksida yang dipoles dalam ruang hampa. Nanotube sepanjang 2-3 m diendapkan di antara mereka. Kemudian, empat konduktor tungsten setebal 80 nm diendapkan pada salah satu nanotube yang dipilih untuk pengukuran. Setiap konduktor tungsten memiliki kontak dengan salah satu strip emas. Jarak antara kontak pada nanotube adalah 0,3-1 m. Hasil pengukuran langsung menunjukkan bahwa resistivitas nanotube dapat bervariasi dalam kisaran yang signifikan - dari 5,1 * 10 -6hingga 0,8 ohm/cm. Resistivitas minimum adalah urutan besarnya lebih rendah dari grafit. Sebagian besar nanotube memiliki konduktivitas logam, sedangkan bagian yang lebih kecil menunjukkan sifat semikonduktor dengan celah pita 0,1 hingga 0,3 eV.

Peneliti Prancis dan Rusia (dari IPTM RAS, Chernogolovka) menemukan sifat lain dari nanotube, yaitu superkonduktivitas. Mereka mengukur karakteristik tegangan arus dari nanotube berdinding tunggal individu dengan diameter ~ 1 nm, digulung menjadi bundel dari sejumlah besar nanotube berdinding tunggal, serta nanotube multilayer individu. Arus superkonduktor pada suhu mendekati 4K diamati antara dua kontak logam superkonduktor. Fitur transfer muatan dalam nanotube pada dasarnya berbeda dari yang melekat pada konduktor tiga dimensi biasa dan, tampaknya, dijelaskan oleh sifat transfer satu dimensi.

Juga, de Girom dari Universitas Lausanne (Swiss) menemukan sifat yang menarik: perubahan konduktivitas yang tajam (sekitar dua kali lipat) dengan pembengkokan kecil, sebesar 5-10o, dari tabung nano satu lapis. Properti ini dapat memperluas cakupan nanotube. Di satu sisi, nanotube ternyata menjadi konverter yang sangat sensitif dari getaran mekanis menjadi sinyal listrik dan sebaliknya (sebenarnya, itu adalah penerima telepon yang panjangnya beberapa mikron dan berdiameter sekitar nanometer), dan , di sisi lain, ini adalah sensor deformasi terkecil yang praktis siap pakai. Sensor semacam itu dapat digunakan pada perangkat yang memantau keadaan komponen dan bagian mekanis yang menjadi sandaran keselamatan manusia, misalnya, penumpang kereta api dan pesawat terbang, personel pembangkit listrik tenaga nuklir dan termal, dll.

Kapiler. Eksperimen telah menunjukkan bahwa nanotube terbuka memiliki sifat kapiler. Untuk membuka nanotube, perlu melepas bagian atas - tutupnya. Salah satu cara untuk menghilangkannya adalah dengan menganil nanotube pada suhu 850 0C selama beberapa jam dalam aliran karbon dioksida. Sebagai hasil oksidasi, sekitar 10% dari semua nanotube terbuka. Cara lain untuk menghancurkan ujung tertutup nanotube adalah paparan asam nitrat pekat selama 4,5 jam pada suhu 2400 C. Sebagai hasil dari perawatan ini, 80% dari nanotube menjadi terbuka.

Studi pertama tentang fenomena kapiler menunjukkan bahwa cairan menembus ke dalam saluran nanotube jika tegangan permukaannya tidak lebih tinggi dari 200 mN/m. Oleh karena itu, untuk memasukkan zat apa pun ke dalam nanotube, pelarut dengan tegangan permukaan rendah digunakan. Misalnya, asam nitrat pekat, tegangan permukaannya rendah (43 mN/m), digunakan untuk memasukkan logam tertentu ke dalam saluran nanotube. Kemudian anil dilakukan pada 4000 C selama 4 jam dalam atmosfer hidrogen, yang mengarah pada reduksi logam. Dengan cara ini, nanotube yang mengandung nikel, kobalt, dan besi diperoleh.

Seiring dengan logam, nanotube karbon dapat diisi dengan zat gas, seperti hidrogen molekuler. Kemampuan ini sangat penting secara praktis, karena membuka kemungkinan penyimpanan hidrogen yang aman, yang dapat digunakan sebagai bahan bakar ramah lingkungan di mesin pembakaran internal. Juga, para ilmuwan mampu menempatkan seluruh rantai fullerene dengan atom gadolinium yang sudah tertanam di dalamnya (lihat Gambar 5).

Beras. 5. Di dalam C60 di dalam tabung nano berdinding tunggal

Efek kapiler dan pengisian nanotube

busur listrik pirolisis karbon nanotube

Segera setelah penemuan nanotube karbon, perhatian para peneliti tertarik dengan kemungkinan mengisi nanotube dengan berbagai zat, yang tidak hanya menarik secara ilmiah, tetapi juga sangat penting untuk masalah terapan, karena nanotube diisi dengan konduktor, semikonduktor. , atau bahan superkonduktor dapat dianggap sebagai yang terkecil dari semua nanotube yang dikenal.elemen mikroelektronika saat ini. Kepentingan ilmiah dalam masalah ini dikaitkan dengan kemungkinan memperoleh jawaban yang dibuktikan secara eksperimental untuk pertanyaan: pada ukuran minimum apa fenomena kapiler mempertahankan fitur-fiturnya yang melekat pada objek makroskopik? Untuk pertama kalinya, masalah ini dipertimbangkan dalam masalah retraksi molekul HP di dalam nanotube di bawah aksi gaya polarisasi. Ditunjukkan bahwa fenomena kapiler yang mengarah pada penarikan cairan yang membasahi permukaan bagian dalam tabung ke dalam kapiler mempertahankan sifatnya pada transisi ke tabung berdiameter nanometer.

Fenomena kapiler dalam nanotube karbon pertama kali dilakukan secara eksperimental dalam sebuah karya di mana efek retraksi kapiler timah cair ke dalam nanotube diamati. Dalam percobaan ini, busur listrik yang dimaksudkan untuk sintesis nanotube dinyalakan antara elektroda dengan diameter 0,8 dan panjang 15 cm pada tegangan 30 V dan arus 180–200 A. Lapisan bahan 3-4 cm tinggi yang terbentuk pada permukaan katoda sebagai akibat dari penghancuran termal permukaan anoda dikeluarkan dari bilik dan disimpan selama 5 jam pada T = 850 ° C dalam aliran karbon dioksida. Operasi ini, sebagai akibatnya sampel kehilangan sekitar 10% dari massa, berkontribusi pada pemurnian sampel dari partikel grafit amorf dan penemuan nanotube dalam endapan. Bagian tengah dari endapan yang mengandung nanotube ditempatkan dalam etanol dan disonikasi. Produk oksidasi yang terdispersi dalam kloroform diaplikasikan pada pita karbon berlubang untuk diamati dengan mikroskop elektron. Seperti yang ditunjukkan oleh pengamatan, tabung yang tidak diproses memiliki struktur yang mulus, kepala dengan bentuk yang benar dan diameter 0,8 hingga 10 nm. Sebagai hasil oksidasi, sekitar 10% dari nanotube ternyata memiliki tutup yang rusak, dan beberapa lapisan di dekat bagian atas terkoyak. Sampel yang mengandung nanotube dimaksudkan untuk observasi diisi vakum dengan tetes timah cair, yang diperoleh dengan menyinari permukaan logam dengan berkas elektron. Dalam hal ini, tetesan timbal dalam ukuran 1 hingga 15 nm diamati pada permukaan luar nanotube. Nanotube dianil di udara pada = 400 ° (di atas titik leleh timbal) selama 30 menit. Seperti hasil pengamatan yang dilakukan dengan bantuan mikroskop elektron, setelah dianil beberapa nanotube ternyata diisi dengan bahan padat. Efek serupa mengisi nanotube diamati pada penyinaran kepala tabung dibuka sebagai hasil dari anil dengan berkas elektron yang kuat. Dengan penyinaran yang cukup kuat, bahan di dekat ujung terbuka tabung meleleh dan menembus ke dalam. Kehadiran timbal di dalam tabung didirikan oleh difraksi sinar-X dan spektroskopi elektron. Diameter kawat timah tertipis adalah 1,5 nm. Menurut hasil pengamatan, jumlah nanotube yang diisi tidak melebihi 1%.

Bimbingan Belajar

Butuh bantuan untuk mempelajari suatu topik?

Pakar kami akan memberi saran atau memberikan layanan bimbingan belajar tentang topik yang Anda minati.
Kirim lamaran menunjukkan topik sekarang untuk mencari tahu tentang kemungkinan mendapatkan konsultasi.