Uhlíkové nanorúrky CNT sú zvláštne valcovité molekuly s priemerom asi pol nanometra a dĺžkou až niekoľko mikrometrov. Uhlíkové nanorúrky sú duté podlhovasté valcové štruktúry s priemerom rádovo niekoľko až desiatok nanometrov, dĺžka tradičných nanorúriek sa počíta v mikrónoch, hoci v laboratóriách sa už získavajú štruktúry s dĺžkou rádovo milimetrov a dokonca centimetrov. . Vzájomná orientácia grafitovej šesťhrannej mriežky a pozdĺžna os nanorúrky určuje veľmi dôležitý...

Zdieľajte prácu na sociálnych sieťach

Ak vám táto práca nevyhovuje, v spodnej časti stránky je zoznam podobných prác. Môžete tiež použiť tlačidlo vyhľadávania

ÚVOD

Technológie dnes dosiahli takú úroveň dokonalosti, že mikrokomponenty sa v modernej technike čoraz menej využívajú a postupne ich nahrádzajú nanokomponenty. To potvrdzuje trend väčšej miniaturizácie elektronických zariadení. Bolo potrebné zvládnuť novú úroveň integrácie – nanoúroveň. V dôsledku toho bolo potrebné získať tranzistory, drôty s veľkosťou v rozmedzí od 1 do 20 nanometrov. Riešenie tohto problému bolo v roku 1985. objav nanorúriek, ale začali sa skúmať až od roku 1990, keď sa naučili, ako ich získať v dostatočnom množstve.

Uhlíkové nanorúrky (CNT) sú zvláštne valcové molekuly

približne pol nanometra v priemere a až niekoľko mikrometrov na dĺžku. Tieto polymérne systémy boli prvýkrát objavené ako vedľajšie produkty syntézy fullerénu C 60 . Napriek tomu už na báze uhlíkových nanorúrok vznikajú elektronické zariadenia s nanometrovou (molekulárnou) veľkosťou. Očakáva sa, že v dohľadnej dobe nahradia prvky podobného účelu v elektronických obvodoch rôznych zariadení vrátane moderných počítačov.

1. Koncept uhlíkových nanorúrok

V roku 1991 japonský výskumník Ijima študoval nános vytvorený na katóde, keď bol grafit rozprašovaný v elektrickom oblúku. Jeho pozornosť upútala nezvyčajná štruktúra sedimentu pozostávajúca z mikroskopických filamentov a vlákien. Merania elektrónovým mikroskopom ukázali, že priemer takýchto vlákien nepresahuje niekoľko nanometrov a dĺžka je od jedného do niekoľkých mikrónov. Po prerezaní tenkej rúrky pozdĺž pozdĺžnej osi vedci zistili, že pozostáva z jednej alebo viacerých vrstiev, z ktorých každá je šesťuholníková mriežka grafitu, ktorá je založená na šesťuholníkoch s atómami uhlíka umiestnenými v rohových vrcholoch. Vo všetkých prípadoch je vzdialenosť medzi vrstvami 0,34 nm, teda rovnaká ako medzi vrstvami v kryštalickom grafite. Spravidla sú horné konce rúrok uzavreté viacvrstvovými pologuľovitými uzávermi, z ktorých každá vrstva pozostáva zo šesťuholníkov a päťuholníkov, pripomínajúcich štruktúru polovičnej molekuly fulerénu.

Rozšírené štruktúry pozostávajúce zo zložených šesťuholníkových sietí s atómami uhlíka v uzloch sa nazývajú nanorúrky. Objav nanorúriek vyvolal veľký záujem medzi výskumníkmi zaoberajúcimi sa tvorbou materiálov a štruktúr s neobvyklými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami.

Uhlíkové nanorúrky sú duté podlhovasté valcové štruktúry s priemerom niekoľkých až desiatok nanometrov (dĺžka tradičných nanorúriek sa meria v mikrónoch, aj keď v laboratóriách sa už získavajú štruktúry s dĺžkou rádovo milimetrov a dokonca centimetrov).

Ideálna nanorúrka je valec získaný valcovaním plochej šesťhrannej mriežky grafitu bez švov.Vzájomná orientácia grafitovej hexagonálnej siete a pozdĺžna os nanorúrky určuje veľmi dôležitú štrukturálnu charakteristiku nanorúrky, ktorá sa nazýva chiralita. Chiralita je charakterizovaná dvoma celými číslami ( m, n ), ktoré označujú umiestnenie šesťuholníka mriežky, ktorý by sa mal v dôsledku poskladania zhodovať so šesťuholníkom umiestneným na začiatku.

Uvedené je znázornené na obr. 1.1, na ktorom je znázornená časť šesťuholníkovej grafitovej siete, ktorej poskladanie do valca vedie k vytvoreniu jednovrstvových nanorúriek s rôznou chiralitou. Chiralita nanorúrky môže byť tiež jednoznačne určená uhlom a vytvoreným smerom skladania nanorúrky a smerom, v ktorom majú susedné šesťuholníky spoločnú stranu. Tieto smery sú tiež znázornené na obrázku 1.1. Existuje množstvo variantov skladania nanorúriek, no medzi nimi sú také, ktoré nespôsobujú skreslenie štruktúry šesťuholníkovej siete. Tieto smery zodpovedajú uhlom a = 0 a a = 30°, čo zodpovedá chiralite(m, 0) a (2n, n).

Indexy chirality jednovrstvovej trubice určujú jej priemer D :

kde d0 = 0,142 nm je vzdialenosť medzi atómami uhlíka v hexagonálnej mriežke grafitu. Vyššie uvedený výraz umožňuje určiť jeho chiralitu z priemeru nanorúrky.

Obr.1.1. Model na vytváranie nanorúriek s rôznou chiralitou, keď sa grafitová šesťhranná mriežka zvinie do valca.

Uhlíkové nanorúrky sa vyznačujú širokou škálou tvarov. Napríklad môžu byť jednostenné alebo viacvrstvové (jednovrstvové alebo viacvrstvové), priame alebo špirálové, dlhé a krátke atď.

Na obr.1.2. a na obrázku 1.3 je prezentovaný model uhlíkovej jednovrstvovej a model uhlíkových viacvrstvových nanorúriek.

1.2 Model jednovrstvovej uhlíkovej nanorúrky

1.3 Model uhlíkovej viacvrstvovej nanorúrky

Viacvrstvové uhlíkové nanorúrky sa líšia od jednovrstvových v širšej škále tvarov a konfigurácií. Možné varianty priečnej štruktúry viacvrstvových nanorúriek sú znázornené na obr. 1.4.a a b. Štruktúra znázornená na obrázku 1.4.a, nazývaná ruská matrioška. Ide o koaxiálne vnorené jednovrstvové valcové nanorúrky. Štruktúra znázornená na obr. 1.4.b, pripomína zvinutý kotúč alebo zvitok. Pre všetky uvažované štruktúry je priemerná vzdialenosť medzi susednými vrstvami, ako v grafite, 0,34 nm.

Obr.1.4. Modely prierezu viacvrstvových nanorúrok: a - ruská matrioška, b - zvitok.

So zvyšujúcim sa počtom vrstiev sú odchýlky od ideálneho valcového tvaru čoraz zreteľnejšie. V niektorých prípadoch má vonkajší plášť formu mnohostenu. Niekedy je povrchová vrstva štruktúrou s neusporiadaným usporiadaním atómov uhlíka. V iných prípadoch sa na ideálnej šesťuholníkovej sieti vonkajšej vrstvy nanorúrky tvoria defekty vo forme päťuholníkov a sedemuholníkov, čo vedie k porušeniu valcového tvaru. Prítomnosť päťuholníka spôsobuje konvexné a sedemuholníkové konkávne ohýbanie valcového povrchu nanorúrky. Takéto defekty vedú k vzniku ohnutých a špirálovitých nanorúriek, ktoré sa v procese rastu krútia a krútia medzi sebou a vytvárajú slučky a iné rozšírené štruktúry zložitého tvaru.

Dôležité je, že nanorúrky sa ukázali ako pozoruhodne pevné v ťahu a ohybe. Pôsobením vysokého mechanického namáhania sa nanorúrky netrhajú ani nelámu, ale ich štruktúra sa jednoducho preusporiada. Mimochodom, keďže hovoríme o sile nanorúriek, je zaujímavé si všimnúť jednu z najnovších štúdií o povahe tejto vlastnosti.

Vedci z Rice University pod vedením Borisa Jacobsona zistili, že uhlíkové nanorúrky sa správajú ako „inteligentné samoliečiace sa štruktúry“ (štúdia bola publikovaná 16. februára 2007 v časopise Physical Review Letters). Pri kritickom mechanickom namáhaní a deformáciách spôsobených teplotnými zmenami alebo rádioaktívnym žiarením sa teda nanorúrky dokážu samy „opraviť“. Ukazuje sa, že okrem 6-uhlíkových článkov obsahujú nanorúrky aj päť- a sedem-atómové zhluky. Tieto 5/7-atómové bunky vykazujú nezvyčajné správanie a cyklujú pozdĺž povrchu uhlíkovej nanorúrky ako parníky na mori. Keď dôjde k poškodeniu v mieste defektu, tieto bunky sa podieľajú na „hojení rán“, prerozdeľujúc energiu.

Okrem toho nanorúrky vykazujú mnoho neočakávaných elektrických, magnetických a optických vlastností, ktoré sa už stali predmetom mnohých štúdií. Charakteristickým znakom uhlíkových nanorúriek je ich elektrická vodivosť, ktorá sa ukázala byť vyššia ako u všetkých známych vodičov. Majú tiež vynikajúcu tepelnú vodivosť, sú chemicky stabilné a čo je najzaujímavejšie, môžu získať polovodivé vlastnosti. Pokiaľ ide o elektronické vlastnosti, uhlíkové nanorúrky sa môžu správať ako kovy alebo ako polovodiče, čo je určené orientáciou uhlíkových polygónov vzhľadom na os trubice.

Nanorúrky majú tendenciu k sebe tesne priľnúť a tvoria sady pozostávajúce z kovových a polovodičových nanorúriek. Zložitou úlohou je doteraz syntéza poľa iba polovodičových nanorúrok alebo separácia (separácia) polovodičových nanorúrok od kovových.

2. Vlastnosti uhlíkových nanorúrok

kapilárne efekty

Na pozorovanie kapilárnych efektov je potrebné nanorúrky otvoriť, to znamená odstrániť vrchnú časť - uzávery. Našťastie je táto operácia celkom jednoduchá. Jedným zo spôsobov, ako odstrániť uzávery, je žíhanie nanorúriek pri teplote 850 °C počas niekoľkých hodín v prúde oxidu uhličitého. V dôsledku oxidácie je otvorených asi 10 % všetkých nanorúrok. Ďalším spôsobom, ako zničiť uzavreté konce nanorúriek, je vystavenie koncentrovanej kyseline dusičnej po dobu 4,5 hodiny pri teplote 240 ° C. V dôsledku tohto spracovania sa 80 % nanorúriek otvorí.

Prvé štúdie kapilárnych javov ukázali, že existuje vzťah medzi veľkosťou povrchového napätia kvapaliny a možnosťou jej vtiahnutia do kanála nanorúrok. Ukázalo sa, že kvapalina preniká do kanála nanorúrky, ak jej povrchové napätie nie je vyššie ako 200 mN/m. Preto sa na zavedenie akýchkoľvek látok do nanorúrok používajú rozpúšťadlá s nízkym povrchovým napätím. Napríklad koncentrovaná kyselina dusičná, ktorej povrchové napätie je nízke (43 mN/m), sa používa na zavádzanie určitých kovov do kanála nanorúriek. Potom sa uskutoční žíhanie pri 400 °C počas 4 hodín vo vodíkovej atmosfére, čo vedie k redukcii kovu. Týmto spôsobom sa získali nanorúrky obsahujúce nikel, kobalt a železo.

Spolu s kovmi môžu byť uhlíkové nanorúrky naplnené plynnými látkami, ako je molekulárny vodík. Táto schopnosť má veľký praktický význam, pretože otvára možnosť bezpečného skladovania vodíka, ktorý je možné využiť ako ekologické palivo v spaľovacích motoroch.

Elektrický odpor uhlíkových nanorúrok

Kvôli malým rozmerom uhlíkových nanorúriek bolo možné až v roku 1996 priamo merať ich elektrický odpor p pomocou metódy štyroch hrotov. Aby sme ocenili experimentálne zručnosti potrebné na to, poskytneme stručný popis tejto metódy. Zlaté prúžky boli nanesené na leštený povrch oxidu kremičitého vo vákuu. Medzi nimi boli uložené nanorúrky 2–3 µm dlhé. Potom boli na jednu z nanorúriek vybraných na meranie nanesené štyri volfrámové vodiče s hrúbkou 80 nm, ktorých usporiadanie je znázornené na obr. Každý z volfrámových vodičov mal kontakt s jedným zo zlatých pásikov. Vzdialenosť medzi kontaktmi na nanorúrke bola od 0,3 do 1 μm. Výsledky priamych meraní ukázali, že rezistivita nanorúrok sa môže meniť v širokom rozmedzí, od 5,1 do 10-6 až 0,8 ohm/cm. Minimálna hodnota p je rádovo nižšia ako u grafitu. Väčšina nanorúriek má kovovú vodivosť, zatiaľ čo menšia časť vykazuje vlastnosti polovodiča s zakázaným pásmom 0,1 až 0,3 eV.

Obr.2. Schéma merania elektrického odporu jednotlivej nanorúrky metódou štyroch sond: 1 - substrát z oxidu kremičitého, 2 - zlaté podložky 3 - volfrámové vodivé dráhy, 4 - uhlíková nanorúrka.

3. Metódy syntézy uhlíkových nanorúrok

3.1 Metóda elektrického oblúka

Najpoužívanejšia metóda získavania nanorúrok,

pomocou tepelného nástreku grafitovej elektródy v plazme

oblúkový výboj horiaci v héliovej atmosfére.

Pri oblúkovom výboji medzi anódou a katódou pri napätí 20–25 V stabilizovaný jednosmerný oblúkový prúd 50–100 A, medzielektródová vzdialenosť 0,5–2 mm a tlak He 100–500 Torr, intenzívny dochádza k rozprašovaniu materiálu anódy. Časť produktov naprašovania s obsahom grafitu, sadzí a fullerénov sa ukladá na ochladzované steny komory, zatiaľ čo časť obsahujúca grafit a viacvrstvové uhlíkové nanorúrky (MWNT) sa ukladá na povrch katódy. Výťažok nanorúriek ovplyvňuje veľa faktorov.

Najdôležitejší je tlak He v reakčnej komore, ktorý je za optimálnych podmienok z hľadiska produkcie NT 500 Torr, a nie 100-150 Torr ako pri fullerénoch. Ďalším rovnako dôležitým faktorom je prúd oblúka: maximálny výkon NT je dodržaný pri minimálnom možnom prúde oblúka, ktorý je potrebný na jeho stabilné horenie. Dôležité je aj efektívne chladenie stien komory a elektród, aby sa predišlo praskaniu anódy a jej rovnomernému odparovaniu, čo ovplyvňuje obsah

NT v katódovom ložisku.

Použitie automatického zariadenia na udržiavanie medzielektródovej vzdialenosti na pevnej úrovni zvyšuje stabilitu parametrov oblúkového výboja a obohacuje materiál katódy o nanorúrky.

Záloha.

3.2 Laserové naprašovanie

V roku 1995 sa objavila správa o syntéze uhlíkových nanorúrok naprašovaním grafitového terča pod vplyvom pulzného laserového žiarenia v atmosfére inertného (He alebo Ar) plynu. Grafitový terč je v kremennej trubici pri teplote 1200 °C o C, cez ktorý prúdi vyrovnávací plyn.

Laserový lúč zaostrený systémom šošoviek skenuje povrch

grafitový terč na zabezpečenie rovnomerného odparovania materiálu terča.

Para vznikajúca pri laserovom odparovaní vstupuje do prúdu

inertný plyn a je odvádzaný z vysokoteplotnej oblasti do nízkoteplotnej oblasti, kde sa ukladá na vodou chladený medený substrát.

Sadze obsahujúce NT sa zbierajú z medeného substrátu, stien kremennej trubice a zadnej strany terča. Rovnako ako v oblúkovej metóde sa ukazuje

niekoľko typov koncového materiálu:

1) v experimentoch, kde bol ako cieľ použitý čistý grafit, sa získali MWNT, ktoré mali dĺžku až 300 nm a pozostávali zo 4–24 grafénových valcov. Štruktúra a koncentrácia takýchto NT vo východiskovom materiáli boli určené hlavne teplotou. O 1200 o So všetkými pozorovanými NT neobsahoval chyby a mal uzávery na koncoch. Keď sa teplota syntézy zníži na 900 st o C sa v NT objavili defekty, ktorých počet sa zvyšoval s ďalším poklesom teploty a pri 200 o Nebola pozorovaná žiadna tvorba NT.

2) keď sa do cieľa pridá malé množstvo prechodných kovov, v kondenzačných produktoch sa pozorujú SWCNT. Počas odparovania sa však terč obohatil o kov a výťažok SWNT sa znížil.

Na vyriešenie tohto problému začali používať dva súčasne ožarované terče, z ktorých jeden je čistý grafit a druhý pozostáva z kovových zliatin.

Percentuálny výťažok NT sa dramaticky mení v závislosti od katalyzátora. Napríklad vysoký výťažok NT sa získa na katalyzátoroch Ni, Co, zmesiach Ni a Co s inými prvkami. Získané SWCNT mali rovnaký priemer a boli spojené do lúčov s priemerom 5–20 nm. Zmesi Ni/Pt a Co/Pt poskytujú vysoké výťažky NT, zatiaľ čo čistá platina má za následok nízke výťažky SWNT. Zmes Co/Cu dáva nízky výťažok SWNT a použitie čistej medi vôbec nevedie k tvorbe SWNT. Na koncoch SWNT bez častíc katalyzátora boli pozorované sférické čiapky.

Ako variácia sa rozšírila metóda, kde sa namiesto pulzného laserového žiarenia používalo fokusované slnečné žiarenie. Táto metóda sa použila na získanie fullerénov a potom

vylepšenia na získanie NT. Slnečné svetlo, ktoré dopadá na ploché zrkadlo a odráža sa, vytvára planparalelný lúč dopadajúci na parabolické zrkadlo. V ohnisku zrkadla je grafitový čln naplnený zmesou grafitu a kovových práškov. Čln je vo vnútri grafitovej trubice, ktorá funguje ako tepelný štít. Celý systém je umiestnený v komore naplnenej inertným plynom.

Ako katalyzátory boli použité rôzne kovy a ich zmesi. Získali sa rôzne štruktúry v závislosti od zvoleného katalyzátora a tlaku inertného plynu. Použitím nikel-kobaltového katalyzátora pri nízkom tlaku vyrovnávacieho plynu pozostávala syntetizovaná vzorka hlavne z bambusu podobných MWNT. S nárastom tlaku sa objavovali a začali dominovať SWNT s priemerom 1–2 nm, SWNT sa spájali do lúčov s priemerom do 20 nm s povrchom bez amorfného uhlíka.

3.3 Katalytický rozklad uhľovodíkov

Široko používaný spôsob výroby NT je založený na využití rozkladu acetylénu v prítomnosti katalyzátorov. Ako katalyzátory boli použité častice kovov Ni, Co, Cu a Fe s veľkosťou niekoľkých nanometrov. Keramická nádobka s 20–50 mg katalyzátora je umiestnená v kremennej trubici s dĺžkou 60 cm a vnútorným priemerom 4 mm. Zmes acetylénu C2H2 (2,5-10%) a dusíka sa pumpuje cez rúrku niekoľko hodín pri teplote 500-1100 o Potom sa systém ochladí na teplotu miestnosti. V experimente s kobaltovým katalyzátorom boli pozorované štyri typy štruktúr:

1) vrstvy amorfného uhlíka na časticiach katalyzátora;

2) častice kovového katalyzátora zapuzdrené vrstvami grafénu;

3) vlákna tvorené amorfným uhlíkom;

4) MSNT.

Najmenšia hodnota vnútorného priemeru týchto MWNT bola 10 nm. Vonkajší priemer NT bez amorfného uhlíka bol v rozmedzí 25–30 nm a pre NT potiahnutý amorfným uhlíkom až do 130 nm. Dĺžka NT bola určená reakčným časom a menila sa od 100 nm do 10 um.

Výťažok a štruktúra NT závisí od typu katalyzátora - nahradenie Co Fe dáva nižšiu koncentráciu NT a počet bezdefektových NT klesá. Keď sa použil niklový katalyzátor, väčšina vlákien mala amorfnú štruktúru; niekedy sa vyskytli NT s grafitizovanou štruktúrou bez defektov. Na medenom katalyzátore sa vytvárajú nite nepravidelného tvaru a amorfnej štruktúry. Vo vzorke sú pozorované kovové častice zapuzdrené v grafénových vrstvách. Prijaté NT a vlákna majú rôzne formy - priame; zakrivené, pozostávajúce z priamych častí; cikcak; špirála. V niektorých prípadoch má stúpanie špirály pseudokonštantnú hodnotu.

V súčasnosti je potrebné získať pole orientovaných NT, čo je diktované použitím takých štruktúr, ako sú žiariče. Existujú dva spôsoby, ako získať polia orientovaných NT: orientácia už pestovaných NT a rast orientovaných NT pomocou katalytických metód.

Ako substrát pre rast NT bolo navrhnuté použiť porézny kremík, ktorého póry sú vyplnené nanočasticami železa. Substrát sa umiestnil do tlmivého plynu a acetylénového média pri teplote 700 °C o C, kde železo katalyzovalo proces tepelného rozkladu acetylénu. V dôsledku toho v oblastiach niekoľkých mm 2 kolmo na substrát sa vytvorili orientované viacvrstvové NT.

Podobnou metódou je použitie eloxovaného hliníka ako substrátu. Póry eloxovaného hliníka sú vyplnené kobaltom. Substrát sa umiestni do prúdiacej zmesi acetylénu a dusíka pri teplote 800 °C o C. Výsledné orientované NT majú stredný priemer 50,0 ± 0,7 nm so vzdialenosťou medzi rúrkami 104,2 ± 2,3 nm. Priemerná hustota bola stanovená na úrovni 1,1x1010 NT/cm 2 . TEM nanorúriek odhalila dobre grafitizovanú štruktúru so vzdialenosťou medzi vrstvami grafénu 0,34 nm. Uvádza sa, že zmenou parametrov a doby spracovania hliníkového substrátu je možné zmeniť tak priemer NT, ako aj vzdialenosť medzi nimi.

Metóda prebieha pri nižších teplotách (pod 666 o C) je tiež popísaný v článkoch. Nízke teploty počas syntézy umožňujú použiť ako substrát sklo s naneseným niklovým filmom. Niklový film slúžil ako katalyzátor pre rast NT depozíciou plazmy aktivovanej horúcim vláknom. Ako zdroj uhlíka sa použil acetylén. Zmenou experimentálnych podmienok je možné meniť priemer trubíc od 20 do 400 nm a ich dĺžku v rozsahu 0,1–50 µm. Získané MWNT s veľkým priemerom (>100 nm) sú priame a ich osi sú nasmerované striktne kolmo na substrát. Pozorovaná hustota NT podľa rastrovacej elektrónovej mikroskopie je 107 NT/mm 2 . Keď sa priemer NT stane menším ako 100 nm, preferovaná orientácia kolmá na rovinu substrátu zmizne. Orientované polia MWNT môžu byť vytvorené na plochách niekoľkých cm 2 .

3.4 Elektrolytická syntéza

Hlavnou myšlienkou tejto metódy je získať uhlíkové NT prechodom elektrického prúdu medzi grafitovými elektródami v roztavenej iónovej soli. Grafitová katóda sa pri reakcii spotrebúva a slúži ako zdroj atómov uhlíka. V dôsledku toho vzniká široká škála nanomateriálov. Anóda je čln vyrobený z vysoko čistého grafitu a naplnený chloridom lítnym. Loď sa zahrieva na teplotu topenia chloridu lítneho (604 o C) na vzduchu alebo v atmosfére inertného plynu (argónu). Katóda sa ponorí do roztaveného chloridu lítneho a v priebehu jednej minúty medzi elektródami prejde prúd 1-30 A. Pri prechode prúdu dochádza k erózii časti katódy ponorenej do taveniny. Ďalej sa roztaví elektrolyt obsahujúci časticeuhlík, ochladený na izbovú teplotu.

Aby sa izolovali častice uhlíka vznikajúce pri erózii katódy, soľ sa rozpustila vo vode. Zrazenina sa izolovala, rozpustila v toluéne a dispergovala v ultrazvukovom kúpeli. Produkty elektrolytickej syntézy boli študované pomocou TEM. Ukázalo sa, že oni

pozostávajú zo zapuzdrených kovových častíc, cibule a uhlíkových NT rôznych morfológií, vrátane špirálových a silne zakrivených. v závislosti

V závislosti od experimentálnych podmienok sa priemer nanorúriek tvorených valcovými vrstvami grafénu pohyboval od 2 do 20 nm. Dĺžka MWNT dosiahla 5 µm.

Boli nájdené optimálne prúdové podmienky - 3-5 A. Pri vysokej hodnote prúdu (10-30 A) sa tvoria iba zapuzdrené častice a amorfný uhlík. o

nízke hodnoty prúdu (<1А) образуется только аморфный углерод.

3.5 Kondenzačná metóda

Pri metóde kvázi voľnej kondenzácie pár sa uhlíková para vytvára ako výsledok odporového zahrievania grafitovej pásky a kondenzuje na substráte z vysoko usporiadaného pyrolytického grafitu, ochladeného na teplotu 30 °C. o C vo vákuu 10-8 Torr. TEM štúdie získaných filmov s hrúbkou 2–6 nm ukazujú, že obsahujú uhlíkové nanorúrky s priemerom 1–7 nm a dĺžkou do 200 nm, z ktorých väčšina končí guľovitými koncami. Obsah NT v sedimente presahuje 50 %. Pre viacvrstvové NT je vzdialenosť medzi vrstvami grafénu, ktoré ich tvoria, 0,34 nm. Rúry sú umiestnené na substráte takmer vodorovne.

3.6 Metóda štrukturálnej deštrukcie

Túto metódu vyvinuli výskumníci z laboratória IBM. Ako to bolo

už bolo povedané, nanorúrky majú kovové aj

vlastnosti polovodičov. Na výrobu množstva zariadení na nich založených, najmä tranzistorov a ďalej procesorov, ktoré ich využívajú, sú však potrebné iba polovodičové nanorúrky. Vedci z IBM vyvinuli metódu nazvanú „konštruktívne ničenie“, ktorá im umožnila zničiť všetky kovové nanorúrky, pričom tie polovodičové ponechali nedotknuté. To znamená, že buď postupne ničia jednu škrupinu po druhej vo viacstennej nanorúrke, alebo selektívne ničia kovové jednostenné nanorúrky.

Takto je tento proces stručne opísaný:

1. Lepkavé „laná“ kovových a polovodičových trubíc sú umiestnené na substráte z oxidu kremičitého.

2. Potom sa na substrát premietne litografická maska

elektródy (kovové rozpery) na vrchu nanorúrok. Tieto elektródy

fungujú ako vypínače

polovodičové nanorúrky.

3. Pomocou samotného kremíkového substrátu ako elektródy vedci „vypnú“

polovodičové nanorúrky, ktoré jednoducho blokujú prechod akéhokoľvek prúdu cez ne.

4. Kovové nanorúrky zostali nechránené. Potom sa na substrát privedie vhodné napätie, ktoré zničí kovové nanorúrky, pričom polovodičové nanorúrky zostanú izolované. Výsledkom je husté pole neporušených, funkčných polovodičových nanorúrok – tranzistorov, z ktorých sa dajú vytvárať logické obvody – teda procesory. Teraz sa pozrime na tieto procesy podrobnejšie. Rôzne škrupiny MWNT môžu mať rôzne elektrické vlastnosti. V dôsledku toho sú elektronická štruktúra a mechanizmy prenosu elektrónov v MWNT odlišné. Táto štrukturálna zložitosť umožňuje vybrať a použiť iba jeden plášť MWNT: ten, ktorý má požadované vlastnosti. K deštrukcii viacstenných nanorúriek dochádza vo vzduchu pri určitej výkonovej hladine, a to rýchlou rýchlosťou

oxidácia vonkajších uhlíkových obalov. Počas ničenia sa prúd pretekajúci cez MWNT postupne mení a tieto kroky sa s prekvapivou pravidelnosťou zhodujú s deštrukciou jednotlivého obalu. Riadením procesu odstraňovania plášťa jeden po druhom je možné vytvárať rúrky s požadovanými vlastnosťami vonkajšieho plášťa, kovové alebo polovodičové. Výberom priemeru vonkajšieho plášťa je možné získať požadovanú zakázanú vzdialenosť.

Ak sa na vytvorenie tranzistora s efektom poľa použijú „laná“ s jednostennými nanorúrkami, nemožno v nich ponechať kovové rúrky, pretože budú dominovať a určovať transportné vlastnosti zariadenia, t. nebude mať efekt poľa. Tento problém sa rieši aj selektívnym ničením. Na rozdiel od MWNT, v tenkom „lane“ môže byť každý SWNT pripojený samostatne k externým elektródam. Takže „lano“ s MWNT môže byť reprezentované ako nezávislé paralelné vodiče s celkovou celkovou vodivosťou vypočítanou podľa vzorca:

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

kde Gm je produkovaný kovovými nanorúrkami a Gs je vodivosť polovodičových nanorúrok závislá od brány.

Navyše, veľa SWNT v „lane“ je vystavených vzduchu, potenciálne oxidačnému prostrediu, takže na rozdiel od MWNT môže byť naraz zničených veľa rúrok. A napokon, jednostenné nanorúrky v malom „lane“ sa navzájom elektrostaticky nechránia tak účinne ako koncentrické obaly MWNT. Vďaka tomu je možné hradlovú elektródu použiť na efektívne zníženie nosičov elektrického prúdu (elektrónov resp

otvory) v polovodičových SWNT v „lane“. To premení polovodičové rúrky na izolátory. V tomto prípade môže byť oxidácia spôsobená prúdom nasmerovaná iba na kovové SWNT v "lane".

Uskutočňuje sa výroba polí polovodičových nanorúrok

jednoduché: umiestnením „lana“ SWNT na oxidovaný kremíkový substrát,

A potom súprava zdroja prúdu, uzemňovacích a izolovaných elektród je litograficky umiestnená na vrchu „lán“. Koncentrácia rúrok je predvolená tak, že v priemere len jedno „lano“ uzatvára zdroj a zem. V tomto prípade nie je potrebná žiadna špeciálna orientácia nanorúriek. Spodná brána (samotný kremíkový substrát) sa používa na vypnutie polovodičových trubíc a potom sa použije nadmerné napätie na zničenie kovových trubíc v "lane", ktoré vytvára FET. Aplikáciou tejto technológie selektívnej deštrukcie je možné kontrolovať veľkosť uhlíkovej nanorúrky, čo umožňuje konštrukciu nanorúriek s vopred nastavenými elektrickými vlastnosťami, ktoré spĺňajú požadované charakteristiky elektronických zariadení. Nanorúrky možno použiť ako nanoelektrické drôty alebo ako aktívne komponenty v elektronických zariadeniach, ako sú tranzistory s efektom poľa. Je jasné, že na rozdiel od polovodičov na báze kremíka, ktoré vyžadujú vytvorenie vodičov na báze hliníka alebo medi na spojenie polovodičových prvkov v kryštáli, sa táto technológia môže vzdať iba uhlíka.

Výrobcovia procesorov sa dnes snažia skrátiť dĺžku kanálov v tranzistoroch, aby zvýšili frekvenciu. Technológia navrhovaná IBM umožňuje úspešne vyriešiť tento problém použitím uhlíkových nanorúrok ako kanálov v tranzistoroch.

4.Praktické využitie uhlíkových nanorúrok

4.1 Vyžarovanie poľa a tienenie

Keď sa pozdĺž osi nanorúrok aplikuje malé elektrické pole, z jej koncov dochádza k veľmi intenzívnej emisii elektrónov. Takéto javy sa nazývajú emisie poľa. Tento efekt možno ľahko pozorovať aplikáciou malého napätia medzi dve paralelné kovové elektródy, z ktorých jedna je potiahnutá kompozitnou nanorúrkovou pastou. Dostatočný počet trubíc bude kolmý na elektródu, čo vám umožní pozorovať emisiu poľa. Jednou z aplikácií tohto efektu je zlepšenie plochých obrazoviek. Televízne a počítačové monitory využívajú riadenú elektrónovú pištoľ na ožarovanie fluorescenčnej obrazovky, ktorá vyžaruje svetlo v požadovaných farbách. Kórejská spoločnosť Samsung vyvíja plochý displej využívajúci elektrónovú emisiu uhlíkových nanorúrok. Tenká vrstva nanorúriek je umiestnená na vrstve riadiacej elektroniky a pokrytá sklenenou platňou potiahnutou vrstvou fosforu. Japonská spoločnosť využíva efekt emisie elektrónov vo vákuových lampách, ktoré sú rovnako jasné ako bežné žiarovky, ale sú efektívnejšie a vydržia dlhšie. Ďalší výskumníci využívajú tento efekt na vývoj nových spôsobov generovania mikrovlnného žiarenia.

Vysoká elektrická vodivosť uhlíkových nanorúrok znamená, že nebudú dobre prenášať elektromagnetické vlny. Kompozitný plast s nanorúrkami môže byť ľahký materiál, ktorý chráni elektromagnetické žiarenie. Toto je veľmi dôležitá otázka pre armádu, ktorá rozvíja myšlienky digitálnej reprezentácie bojiska v systémoch velenia, riadenia a komunikácie. Počítače a elektronické zariadenia, ktoré sú súčasťou takéhoto systému, musia byť chránené pred zbraňami, ktoré generujú elektromagnetické impulzy.

4.2 Palivové články

Uhlíkové nanorúrky možno použiť pri výrobe batérií.

Je možné umiestniť lítium, ktoré je nosičom náboja v niektorých batériách

vnútri nanorúrok. Odhaduje sa, že jeden atóm lítia môže byť umiestnený v trubici na každých šesť atómov uhlíka. Ďalším možným využitím nanorúriek je ukladanie vodíka v nich, čo je možné využiť pri návrhu palivových článkov ako zdrojov elektrickej energie v budúcich automobiloch. Palivový článok sa skladá z dvoch elektród a špeciálneho elektrolytu, ktorý umožňuje prechod vodíkových iónov medzi nimi, ale neumožňuje prechod elektrónov. Vodík sa posiela na anódu, kde sa ionizuje. Voľné elektróny sa pohybujú ku katóde pozdĺž vonkajšieho okruhu a vodíkové ióny difundujú ku katóde cez elektrolyt, kde sa z týchto iónov, elektrónov a kyslíka tvoria molekuly vody. Takýto systém potrebuje zdroj vodíka. Jednou z možností je skladovanie vodíka vo vnútri uhlíkových nanorúrok. Odhaduje sa, že na to, aby bola trubica účinná v tejto kapacite, musí absorbovať 6,5 % hmotnosti vodíka. V súčasnosti sa do trubice zmestili len 4 % hmotnosti vodíka.
Elegantnou metódou plnenia uhlíkových nanorúrok vodíkom je použitie elektrochemického článku. Jednostenné nanorúrky vo forme listu papiera tvoria zápornú elektródu v roztoku KOH, ktorý je elektrolytom. Druhá elektróda je zložená z Ni(OH) 2 . Elektrolytová voda sa rozkladá za vzniku kladných vodíkových iónov (H+ ) pohybujúce sa smerom k negatívnej elektróde vyrobenej z nanorúrok. Prítomnosť vodíka viazaného v skúmavkách sa určí z poklesu intenzity Ramanovho rozptylu.

4.3. Katalyzátory

Katalyzátor je látka, zvyčajne kov alebo zliatina, ktorá zvyšuje rýchlosť chemickej reakcie. Pre niektoré chemické reakcie sú uhlíkové nanorúrky katalyzátormi. Napríklad viacvrstvové nanorúrky s externe viazanými atómami ruténia majú silný katalytický účinok na hydrogenačnú reakciu škoricového aldehydu (C 6 H 5 CH=CHCHO) v kvapalnej fáze v porovnaní s účinkom rovnakého ruténia na iné uhlíkové substráty. Chemické reakcie sa uskutočňovali aj vo vnútri uhlíkových nanorúrok, napríklad redukcia oxidu nikelnatého NiO na kovový nikel a A l С1 3 na hliník. Prietok plynného vodíka H 2 pri 475 °C čiastočne znižuje Mo O3 až Mo O2 so súčasnou tvorbou vodnej pary vo vnútri viacvrstvových nanorúrok. Kryštály sulfidu kademnatého CdS vznikajú vo vnútri nanorúrok reakciou kryštalického oxidu kademnatého CdO so sírovodíkom (H 2 S) pri 400 °C.

4.4 Chemické senzory

Zistilo sa, že tranzistor s efektom poľa vyrobený na polovodičovej chirálnej nanorúrke je citlivým detektorom rôznych plynov. Tranzistor s efektom poľa bol umiestnený v nádobe s objemom 500 ml s napájacími prívodmi a dvoma ventilmi pre vstup a výstup plynu umývajúceho tranzistor. Prúd plynu obsahujúceho 2 až 200 ppm N O2 pri rýchlosti 700 ml/min počas 10 minút viedlo k trojnásobnému zvýšeniu vodivosti nanorúrky. Tento účinok je spôsobený skutočnosťou, že pri väzbe N O2 pri nanorúrke sa náboj prenesie z nanorúrky do skupiny N O2 , čím sa zvyšuje koncentrácia otvorov v nanorúrke a jej vodivosť.

4.5 Kvantové drôty

Teoretické a experimentálne štúdie elektrických a magnetických vlastností nanorúrok odhalili množstvo efektov, ktoré naznačujú kvantovú povahu prenosu náboja v týchto molekulárnych drôtoch a môžu byť použité v elektronických zariadeniach.

Vodivosť obyčajného drôtu je nepriamo úmerná jeho dĺžke a priamo úmerná prierezu, zatiaľ čo v prípade nanorúrky nezávisí ani od dĺžky, ani od hrúbky a rovná sa kvantu vodivosti (12,9 kΩ-1 ) - hraničná hodnota vodivosti, ktorá zodpovedá voľnému prenosu delokalizovaných elektrónov po celej dĺžke vodiča.

Pri bežnej teplote je pozorovaná hodnota prúdovej hustoty (107 A(cm–2)) o dva rády vyššia ako aktuálne dosahovaná prúdová hustota o.

supravodiče.

Nanorúrka, ktorá je v kontakte s dvoma supravodivými elektródami pri teplotách okolo 1 K, sa sama stáva supravodičom. Tento efekt je spôsobený skutočnosťou, že sa vytvorili Cooperove elektrónové páry

v supravodivých elektródach sa pri prechode nerozpadajú

nanotrubice.

Pri nízkych teplotách sa na kovových nanorúrkach pozoroval postupný nárast prúdu (kvantovanie vodivosti) so zvýšením predpätia V aplikovaného na nanorúrku: každý skok zodpovedá vzhľadu ďalšej delokalizovanej úrovne nanorúrky v medzere medzi Fermiho hladiny katódy a anódy.

Nanorúrky majú výraznú magnetorezistenciu: elektrická vodivosť silne závisí od indukcie magnetického poľa. Ak sa vonkajšie pole aplikuje v smere osi nanorúrok, pozorujú sa viditeľné oscilácie v elektrickej vodivosti; ak sa pole aplikuje kolmo na os NT, potom sa pozoruje jeho zvýšenie.

4,6 LED diód

Ďalšou aplikáciou MWNT je výroba LED na báze organických materiálov. V tomto prípade bol na ich prípravu použitý nasledujúci spôsob: NT prášok sa zmiešal s organickými prvkami v toluéne a ožiaril sa ultrazvukom, potom sa roztok nechal usadiť 48 hodín. V závislosti od počiatočného množstva zložiek sa získali rôzne hmotnostné frakcie NT. Na výrobu LED diód bola horná časť roztoku odstránená a nanesená na sklenený substrát centrifugáciou, po ktorej boli hliníkové elektródy nastriekané na polymérne vrstvy. Výsledné zariadenia boli študované elektroluminiscenciou, ktorá odhalila vrchol ich žiarenia v infračervenej oblasti spektra (600-700 nm).

ZÁVER

V súčasnosti uhlíkové nanorúrky priťahujú veľkú pozornosť vďaka možnosti výroby zariadení s veľkosťou nanometrov na ich základe. Napriek početným štúdiám v tejto oblasti zostáva otvorená otázka masovej výroby takýchto zariadení, ktorá je spojená s nemožnosťou presnej kontroly výroby nanorúriek s požadovanými parametrami a vlastnosťami.

V blízkej budúcnosti však treba očakávať prudký rozvoj v tejto oblasti vzhľadom na možnosti výroby mikroprocesorov a čipov na báze nanotranzistorov a v dôsledku toho investície do tejto oblasti zo strany korporácií špecializujúcich sa na výpočtovú techniku.

BIBLIOGRAFIA

1. Uhlíkové nanorúrky. Materiály pre počítače XXI storočia, P.N. Djačkov. Príroda č.11,2000
2. Rakov E.G. Metódy získavania uhlíkových nanorúrok // Pokroky v chémii. -2000. - T. 69. - č. 1. - S. 41-59.
3. Rakov E.G. Chémia a aplikácia uhlíkových nanorúrok // Pokroky v chémii. -2001. - T. 70. - Č. 11. - S. 934-973.
4. Eletsky A.V. // Fyzický úspech. vedy. 1997. V. 167, č. 9. S. 945-972.
5. Zolotukhin I.V. Uhlíkové nanorúrky. Voronežský štátny technický inštitút.
6. http://skybox.org.ua/

Strana 15

Ďalšie súvisiace diela, ktoré by vás mohli zaujímať.vshm>
.			732 kB

Predpokladá sa, že objaviteľom uhlíkových nanorúrok je zamestnanec japonskej korporácie NEC Sumio Iijima, ktorý v roku 1991 pozoroval štruktúry viacvrstvových nanorúrok pri štúdiu usadenín pod elektrónovým mikroskopom, ktoré vznikli pri syntéze molekulárnych foriem čistého uhlíka bunkovú štruktúru.

Klasifikácia

Hlavná klasifikácia nanorúriek je založená na počte ich základných vrstiev.

Jednostenné nanorúrky(jednostenné nanorúrky, SNWT) – najjednoduchší typ nanorúrok. Väčšina z nich má priemer približne 1 nm s dĺžkou, ktorá môže byť tisíckrát dlhšia. Štruktúru jednostenných nanorúriek možno znázorniť ako „obalenie“ šesťuholníkovej mriežky grafitu (grafénu), ktorá je založená na šesťuholníkoch s atómami uhlíka umiestnenými v rohových vrcholoch, do bezšvového valca. Horné konce rúrok sú uzavreté pologuľovitými uzávermi, ktorých každá vrstva je zložená zo šesťuholníkov a päťuholníkov, ktoré svojou štruktúrou pripomínajú polovicu molekuly fullerénu.

Obrázok 1. Grafické znázornenie jednovrstvovej nanorúrky

Viacvrstvové nanorúrky(viacstenné nanorúrky, MWNT) pozostávajú z niekoľkých vrstiev grafénu naskladaných do tvaru trubice. Vzdialenosť medzi vrstvami je 0,34 nm, teda rovnaká ako medzi vrstvami v kryštalickom grafite.

Na popis ich štruktúry sa používajú dva modely. Viacvrstvové nanorúrky môžu byť viaceré jednovrstvové nanorúrky vnorené jedna do druhej (tzv. matrioška). V inom prípade sa jeden „hárok“ grafénu niekoľkokrát omotá okolo seba, čo je podobné rolovaniu pergamenu alebo novín (model „pergamenu“).

Obrázok 2. Grafický obrázok viacvrstvovej nanorúrky (model matriošky)

Metódy syntézy

Najbežnejšími metódami syntézy nanorúriek sú metóda elektrického oblúka, laserová ablácia a chemická depozícia z pár (CVD).

Oblúkový výboj - podstata tejto metódy spočíva vo výrobe uhlíkových nanorúrok v oblúkovom výboji plazmovým spaľovaním v héliovej atmosfére na technologických zariadeniach na výrobu fullerénov. Tu sa však používajú iné režimy horenia oblúka: nízke prúdové hustoty oblúkového výboja, vyšší tlak hélia (~ 500 Torr), väčšie katódy.

Na zvýšenie výťažku nanorúriek v produktoch naprašovania sa do grafitovej tyče zavedie katalyzátor (zmesi kovov skupiny železa), zmení sa tlak inertného plynu a spôsob rozprašovania.

Obsah nanorúrok v katódovom ložisku dosahuje 60 %. Výsledné nanorúrky s dĺžkou až 40 μm rastú z katódy kolmo na jej povrch a spájajú sa do valcových lúčov s priemerom asi 50 km.

Laserová ablácia

Táto metóda bola vynájdená Richardom Smalleym a Rice University a je založená na odparovaní grafitového terča vo vysokoteplotnom reaktore. Nanorúrky sa objavujú na ochladenom povrchu reaktora ako grafitový kondenzát z odparovania. Vodou chladený povrch môže byť zahrnutý do systému zberu nanorúrok.

Výťažok produktu pri tomto spôsobe je asi 70 %. S jeho pomocou sa získavajú prevažne jednostenné uhlíkové nanorúrky s priemerom riadeným reakčnou teplotou. Náklady na túto metódu sú však oveľa drahšie ako ostatné.

Chemická depozícia z pár (CVD)

Metóda katalytického ukladania uhlíkových pár bola objavená už v roku 1959, ale až do roku 1993 nikto nepredpokladal, že by sa v tomto procese dali získať nanorúrky.

V procese tejto metódy sa pripraví substrát s vrstvou katalyzátora - kovovými časticami (najčastejšie nikel, kobalt, železo alebo ich kombinácie). Priemer takto pestovaných nanorúrok závisí od veľkosti kovových častíc.

Substrát sa zahreje na približne 700 °C. Na spustenie rastu nanorúriek sa do reaktora zavádzajú dva typy plynov: procesný plyn (napríklad amoniak, dusík, vodík atď.) a plyn obsahujúci uhlík (acytylén, etylén, etanol, metán atď.). Nanotrubice začínajú rásť na miestach kovových katalyzátorov.

Tento mechanizmus je najbežnejšou komerčnou metódou výroby uhlíkových nanorúrok. Spomedzi iných metód získavania nanorúriek je CVD najsľubnejšie v priemyselnom meradle vďaka najlepšiemu pomeru z hľadiska jednotkovej ceny. Okrem toho umožňuje získať vertikálne orientované nanorúrky na požadovanom substráte bez dodatočného zberu, ako aj riadiť ich rast pomocou katalyzátora.

Oblasti použitia

Uhlíkové nanorúrky spolu s fullerénmi a mezoporéznymi uhlíkovými štruktúrami tvoria novú triedu uhlíkových nanomateriálov alebo uhlíkových rámcových štruktúr s vlastnosťami, ktoré sa výrazne líšia od iných foriem uhlíka, ako je grafit a diamant. Najsľubnejšie z nich sú však nanorúrky.

Zaujímate sa o podnikanie v oblasti nanomateriálov? Potom by vás mohlo zaujímať

Uhlíkové nanorúrky sú budúcnosťou inovatívnych technológií. Výroba a zavedenie nanotubulénov zlepší kvalitu tovarov a výrobkov, výrazne zníži ich hmotnosť a zvýši pevnosť, ako aj ich vybaví novými vlastnosťami.

Uhlíkové nanorúrky alebo rúrkové nanoštruktúry (nanotubulén) sú jedno alebo viacstenné duté valcové štruktúry umelo vytvorené v laboratóriu, získané z atómov uhlíka a majúce výnimočné mechanické, elektrické a fyzikálne vlastnosti.

Uhlíkové nanorúrky sú vyrobené z uhlíkových atómov a majú tvar rúrok alebo valcov. Sú veľmi malé (v nanoúrovni), s priemerom jeden až niekoľko desiatok nanometrov a dĺžkou až niekoľko centimetrov. Uhlíkové nanorúrky sú zložené z grafitu, ale majú iné vlastnosti, ktoré nie sú charakteristické pre grafit. V prírode neexistujú. Ich pôvod je umelý. Telo nanorúriek je syntetické, vytvorené ľuďmi nezávisle od začiatku do konca.

Ak sa pozriete na miliónkrát zväčšenú nanorúrku, môžete vidieť podlhovastý valec pozostávajúci z rovnostranných šesťuholníkov s atómami uhlíka na ich vrcholoch. Toto je grafitová rovina zvinutá do trubice. Chiralita nanorúrky určuje jej fyzikálne charakteristiky a vlastnosti.

Miliónkrát zväčšená nanorúrka je predĺžený valec pozostávajúci z rovnostranných šesťuholníkov s atómami uhlíka na ich vrcholoch. Toto je grafitová rovina zvinutá do trubice.

Chiralita je vlastnosť molekuly, ktorá sa v priestore nezhoduje s jej zrkadlovým obrazom.

Jasnejšie, chiralita je, keď rovnomerne zložíte napríklad list papiera. Ak šikmo, tak toto je už akhiralita. Nanotubulény môžu mať jednovrstvové a viacvrstvové štruktúry. Viacvrstvová štruktúra nie je nič iné ako niekoľko jednovrstvových nanorúriek „oblečených“ jedna na jednu.

História objavov

Presný dátum objavu nanorúriek a ich objaviteľ nie sú známe. Táto téma je predmetom diskusií a úvah, keďže existuje veľa paralelných opisov týchto štruktúr vedcami z rôznych krajín. Hlavná ťažkosť pri identifikácii objaviteľa spočíva v tom, že nanorúrky a nanovlákna, ktoré spadajú do zorného poľa vedcov, dlho nepriťahovali ich pozornosť a neboli starostlivo študované. Existujúce vedecké práce dokazujú, že možnosť vytvárať nanorúrky a vlákna z materiálov obsahujúcich uhlík bola teoreticky povolená už v druhej polovici minulého storočia.

Hlavným dôvodom, prečo sa dlho neuskutočňovali seriózne štúdie mikrónových uhlíkových zlúčenín, je, že v tom čase vedci nemali dostatočne výkonnú vedeckú základňu pre výskum, konkrétne neexistovalo zariadenie, ktoré by umožnilo zväčšiť predmet štúdia na požadovaný rozsah a priesvitnosť ich štruktúry.

Ak zoradíme udalosti v štúdiu nanokarbónových zlúčenín v chronologickom poradí, potom prvý dôkaz spadá do roku 1952, keď sovietski vedci Radushkevich a Lukyanovich upozornili na nanovlákennú štruktúru, ktorá sa vytvorila pri tepelnom rozklade oxidu uhoľnatého (ruský názov je oxid ). Štruktúra pozorovaná pomocou zariadenia elektrónového mikroskopu mala vlákna s priemerom približne 100 nm. Žiaľ, veci nezašli ďalej, než len k oprave nezvyčajnej nanoštruktúry a nenasledoval žiadny ďalší výskum.

Po 25 rokoch zabudnutia, od roku 1974, sa do novín začínajú dostávať informácie o existencii mikrónových rúrkových štruktúr vyrobených z uhlíka. Takže skupina japonských vedcov (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) počas výskumu v rokoch 1974-1975. predstavili širokej verejnosti výsledky množstva svojich štúdií, ktoré obsahovali popis tenkých rúrok s priemerom menším ako 100 Å, ktoré boli získané z pár pri kondenzácii. Sovietski vedci z Ústavu katalýzy sibírskej pobočky Akadémie vied ZSSR v roku 1977 opísali aj tvorbu dutých štruktúr s popisom štruktúry a mechanizmu tvorby získaných pri štúdiu vlastností uhlíka.

Å (Agström) - jednotka merania vzdialeností rovná 10−10 m. V sústave SI je jednotkou blízka angstromu nanometer (1 nm = 10 Å).

Fullerény sú duté, guľovité molekuly v tvare lopty alebo rugbyovej lopty.

Fullerény sú štvrtou, dovtedy neznámou modifikáciou uhlíka, ktorú objavil anglický chemik a astrofyzik Harold Kroto.

A až po použití najnovšieho vybavenia vo svojom vedeckom výskume, ktoré im umožňuje detailne skúmať a presvitať uhlíkovú štruktúru nanorúriek, japonský vedec Sumio Iijima vykonal v roku 1991 prvý seriózny výskum, v dôsledku ktorého boli uhlíkové nanorúrky experimentálne získané a podrobne preštudované.

Profesor Ijima vo svojom výskume vystavil naprašovaný grafit elektrickému oblúkovému výboju, aby získal prototyp. Prototyp bol starostlivo premeraný. Jeho rozmery ukázali, že priemer filamentov (korpusu) nepresahuje niekoľko nanometrov s dĺžkou jeden až niekoľko mikrónov. Štúdiom štruktúry uhlíkovej nanorúrky vedci zistili, že skúmaný objekt môže mať jednu až niekoľko vrstiev, ktoré pozostávajú z grafitovej šesťuholníkovej mriežky založenej na šesťuholníkoch. V tomto prípade sa konce nanorúrok štrukturálne podobajú polovici molekuly fullerénu rozrezanej na dve časti.

V čase vyššie uvedených štúdií už existovali práce takých známych vedcov vo svojom odbore ako Jones, L.A. Chernozatonsky, M.Yu. Kornilov, ktorý predpovedá možnosť vzniku tejto alotropnej formy uhlíka, popisuje jej štruktúru, fyzikálne, chemické a iné vlastnosti.

Viacvrstvová štruktúra nanotrubice nie je nič iné ako niekoľko jednovrstvových nanorúrok „oblečených“ jeden po druhom podľa princípu ruských hniezdiacich bábik.

Elektrofyzikálne vlastnosti

Elektrofyzikálne vlastnosti uhlíkových nanorúrok sú pod najprísnejším dohľadom vedeckých komunít po celom svete. Návrhom nanorúriek v určitých geometrických pomeroch je možné dodať im vodivé alebo polovodičové vlastnosti. Napríklad diamant a grafit sú uhlíkové, ale v dôsledku rozdielov v molekulárnej štruktúre majú odlišné a v niektorých prípadoch opačné vlastnosti. Takéto nanorúrky sa nazývajú kovové alebo polovodičové.

Nanorúrky, ktoré vedú elektrinu aj pri teplotách absolútnej nuly, sú kovové. Nulová vodivosť elektrického prúdu pri absolútnej nule, ktorá sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, naznačuje charakteristický znak polovodičovej nanoštruktúry.

Hlavná klasifikácia je rozdelená podľa spôsobu skladania grafitovej roviny. Spôsob skladania je označený dvoma číslami: "m" a "n", ktoré určujú smer skladania pozdĺž vektorov grafitovej mriežky. Vlastnosti nanorúriek závisia od geometrie ohybu grafitovej roviny, napríklad uhol skrútenia priamo ovplyvňuje ich elektrofyzikálne vlastnosti.

V závislosti od parametrov (n, m) môžu byť nanorúrky: rovné (achirálne), zubaté ("kreslo"), cik-cak a špirálové (chirálne). Na výpočet a plánovanie elektrickej vodivosti sa používa vzorec pre pomer parametrov: (n-m) / 3.

Celé číslo získané pri výpočte označuje vodivosť kovového typu nanorúrky a zlomkové číslo označuje typ polovodiča. Napríklad všetky rúrky typu "stoličky" sú kovové. Uhlíkové nanorúrky kovového typu vedú elektrický prúd pri absolútnej nule. Nanotubulény polovodičového typu majú pri absolútnej nule nulovú vodivosť, ktorá sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou.

Nanorúrky s kovovým typom vodivosti môžu prenášať približne miliardu ampérov na štvorcový centimeter. Meď, ktorá je jedným z najlepších kovových vodičov, je v týchto ukazovateľoch viac ako tisíckrát horšia ako nanorúrky. Pri prekročení medze vodivosti dochádza k zahrievaniu, ktoré je sprevádzané tavením materiálu a deštrukciou molekulárnej mriežky. To sa pri nanotubulénoch za rovnakých podmienok nedeje. Je to spôsobené ich veľmi vysokou tepelnou vodivosťou, ktorá je dvojnásobná v porovnaní s diamantom.

Čo sa týka pevnosti, nanotubulén necháva ostatné materiály ďaleko za sebou. Je 5–10-krát pevnejšia ako najpevnejšie zliatiny ocele (1,28–1,8 TPa v Youngovom module) a má elasticitu 100-tisíckrát vyššiu ako guma. Ak porovnáme ukazovatele pevnosti v ťahu, potom prekračujú podobné pevnostné charakteristiky vysokokvalitnej ocele 20–22 krát!

Ako získať OSN

Nanorúrky sa získavajú vysokoteplotnými a nízkoteplotnými metódami.

Medzi vysokoteplotné metódy patrí laserová ablácia, solárna technológia alebo výboj elektrickým oblúkom. Nízkoteplotná metóda zahŕňa chemické vylučovanie z pár pomocou katalytického rozkladu uhľovodíkov, katalytický rast v plynnej fáze z oxidu uhoľnatého, výrobu elektrolýzou, tepelné spracovanie polyméru, lokálnu nízkoteplotnú pyrolýzu alebo lokálnu katalýzu. Všetky metódy sú náročné na pochopenie, sú technicky vyspelé a veľmi nákladné. Výrobu nanorúrok si môže dovoliť len veľký podnik so silnou vedeckou základňou.

Zjednodušene povedané, proces získavania nanorúriek z uhlíka oblúkovou metódou je nasledujúci:

Do reaktora ohriateho na určitú teplotu s uzavretým okruhom sa vstrekovacím zariadením zavádza plazma v plynnom stave. V reaktore sú v hornej a dolnej časti inštalované magnetické cievky, z ktorých jedna je anóda a druhá katóda. Magnetické cievky sú napájané konštantným elektrickým prúdom. Na plazmu v reaktore pôsobí elektrický oblúk, ktorý sa otáča aj magnetickým poľom. Pôsobením vysokoteplotného elektroplazmového oblúka z povrchu anódy, ktorý pozostáva z materiálu obsahujúceho uhlík (grafit), sa uhlík vyparí alebo „vytrhne“ a kondenzuje na katóde vo forme uhlíkových nanorúrok obsiahnutých v zrazenina. Aby atómy uhlíka mohli kondenzovať na katóde, zníži sa teplota v reaktore. Už krátky popis tejto technológie umožňuje posúdiť zložitosť a cenu získania nanotubulénov. Bude trvať dlho, kým bude proces výroby a aplikácie dostupný pre väčšinu podnikov.

Fotogaléria: Schéma a zariadenie na získanie nanorúriek z uhlíka

Inštalácia na syntézu jednostenných uhlíkových nanorúrok metódou elektrického oblúka Malá energetická vedecká inštalácia na získanie rúrkovej nanoštruktúry
Spôsob výroby pri nízkej teplote

Zariadenie na výrobu dlhých uhlíkových nanorúrok

Sú toxické?

Určite áno.

V procese laboratórneho výskumu vedci dospeli k záveru, že uhlíkové nanorúrky nepriaznivo ovplyvňujú živé organizmy. To zase potvrdzuje toxicitu nanorúrok a pre vedcov je čoraz menej potrebné pochybovať o tejto dôležitej otázke.

Štúdie ukázali, že priama interakcia uhlíkových nanorúrok so živými bunkami vedie k ich smrti. Najmä jednostenné nanorúrky majú silnú antimikrobiálnu aktivitu. Pokusy vedci začali vykonávať na spoločnej kultúre ríše baktérií (E. coli) E-Coli. V procese výskumu boli použité jednovrstvové nanorúrky s priemerom 0,75 až 1,2 nanometrov. Ako ukázali experimenty, v dôsledku dopadu uhlíkových nanorúrok na živú bunku dochádza k mechanickému poškodeniu bunkových stien (membrán).

Nanorúrky získané inými metódami obsahujú veľké množstvo kovov a iných toxických nečistôt. Mnohí vedci predpokladajú, že samotná toxicita uhlíkových nanorúrok nezávisí od ich morfológie, ale priamo súvisí s nečistotami v nich obsiahnutými (nanorúrkami). Práca vedcov z Yale v oblasti výskumu nanorúriek však ukázala chybné zastúpenie mnohých komunít. Baktérie Escherichia coli (E-Coli) boli v procese výskumu vystavené pôsobeniu jednostenných uhlíkových nanorúrok počas jednej hodiny. V dôsledku toho väčšina E-Coli zomrela. Tieto štúdie v oblasti nanomateriálov potvrdili ich toxicitu a negatívny vplyv na živé organizmy.

Vedci prišli na to, že najnebezpečnejšie sú jednostenné nanorúrky, je to spôsobené proporčným pomerom dĺžky uhlíkovej nanorúrky k jej priemeru.

Rôzne štúdie o vplyve uhlíkových nanorúriek na ľudský organizmus priviedli vedcov k záveru, že účinok je identický, ako v prípade azbestových vlákien vstupujúcich do tela. Stupeň negatívneho vplyvu azbestových vlákien priamo závisí od ich veľkosti: čím menší, tým silnejší je negatívny vplyv. A v prípade uhlíkových nanorúriek niet pochýb o ich negatívnom vplyve na organizmus. Nanorúrka, ktorá vstupuje do tela vzduchom, sa usadzuje cez pohrudnicu v hrudníku, čím spôsobuje vážne komplikácie, najmä rakovinové nádory. Ak dôjde k prenikaniu nanotubulénov do tela potravou, usádzajú sa na stenách žalúdka a čriev a spôsobujú rôzne ochorenia a komplikácie.

V súčasnosti vedci vykonávajú výskum biologickej kompatibility nanomateriálov a hľadajú nové technológie na bezpečnú výrobu uhlíkových nanorúrok.

vyhliadky

Uhlíkové nanorúrky majú širokú škálu aplikácií. Je to spôsobené tým, že majú molekulárnu štruktúru vo forme rámca, čo im umožňuje mať vlastnosti, ktoré sa líšia od vlastností diamantu alebo grafitu. Práve pre ich charakteristické vlastnosti (pevnosť, vodivosť, ohyb) sa uhlíkové nanorúrky používajú častejšie ako iné materiály.

Tento uhlíkový vynález sa používa v elektronike, optike, strojárstve atď. Uhlíkové nanorúrky sa používajú ako prísady do rôznych polymérov a kompozitov na zvýšenie pevnosti molekulárnych zlúčenín. Koniec koncov, každý vie, že molekulárna mriežka uhlíkových zlúčenín má neuveriteľnú silu, najmä vo svojej čistej forme.

Uhlíkové nanorúrky sa používajú aj pri výrobe kondenzátorov a rôznych typov snímačov, anód, ktoré sú potrebné na výrobu batérií, ako pohlcovač elektromagnetických vĺn. Táto uhlíková zlúčenina našla široké uplatnenie v oblasti výroby telekomunikačných sietí a displejov z tekutých kryštálov. Nanorúrky sa tiež používajú ako zosilňovač katalytických vlastností pri výrobe osvetľovacích zariadení.

Komerčná aplikácia

trhu	Aplikácia	Vlastnosti kompozícií na báze uhlíkových nanorúrok
Autá	Časti palivového systému a palivové vedenia (konektory, časti čerpadiel, tesniace krúžky, rúrky), vonkajšie časti karosérie pre elektrické lakovanie (nárazníky, kryty zrkadiel, uzávery palivovej nádrže)	Vylepšená rovnováha vlastností v porovnaní so sadziami, recyklovateľnosť veľkých dielov, odolnosť proti deformácii
Elektronika	Technologické nástroje a zariadenia, doštičkové kazety, dopravníkové pásy, nosné dosky, vybavenie čistých priestorov	Vylepšená čistota zmesí v porovnaní s uhlíkovými vláknami, kontrola povrchového odporu, spracovateľnosť pri odlievaní tenkých dielov, odolnosť proti deformácii, vyváženosť vlastností, alternatívne možnosti plastových zmesí oproti uhlíkovým vláknam

Uhlíkové nanorúrky nie sú obmedzené na určité oblasti použitia v rôznych priemyselných odvetviach. Materiál bol vynájdený relatívne nedávno av súčasnosti je v mnohých krajinách sveta široko používaný vo vedeckom vývoji a výskume. Je to potrebné pre podrobnejšie štúdium vlastností a charakteristík uhlíkových nanorúrok, ako aj pre založenie veľkovýroby materiálu, keďže v súčasnosti má na trhu dosť slabé postavenie.

Uhlíkové nanorúrky sa používajú na chladenie mikroprocesorov.

Vzhľadom na ich dobré vodivé vlastnosti zaberá využitie uhlíkových nanorúrok v strojárstve široké spektrum. Tento materiál sa používa ako zariadenia na chladenie agregátov s masívnymi rozmermi. Je to spôsobené predovšetkým tým, že uhlíkové nanorúrky majú vysokú špecifickú tepelnú vodivosť.

Využitie nanorúrok pri vývoji výpočtovej techniky zohráva dôležitú úlohu v elektronickom priemysle. Vďaka použitiu tohto materiálu sa etablovala výroba na výrobu pomerne plochých displejov. To prispieva k výrobe kompaktných počítačových zariadení, ale zároveň sa technické vlastnosti elektronických počítačov nestrácajú, ale dokonca zvyšujú. Využitie uhlíkových nanorúrok vo vývoji výpočtovej techniky a v elektronickom priemysle umožní dosiahnuť výrobu zariadení, ktoré budú z hľadiska technických vlastností mnohonásobne prevyšovať súčasné analógy. Na základe týchto štúdií sa už vytvárajú vysokonapäťové kineskopy.

Prvý procesor s uhlíkovými nanorúrkami

Problémy s používaním

Jedným z problémov používania nanorúriek je negatívny vplyv na živé organizmy, čo spochybňuje využitie tohto materiálu v medicíne. Niektorí odborníci naznačujú, že v procese hromadnej výroby uhlíkových nanorúriek môžu existovať nedocenené riziká. To znamená, že v dôsledku rozšírenia rozsahu nanorúriek bude potreba ich výroby vo veľkom meradle a tým aj ohrozenie životného prostredia.

Vedci navrhujú hľadať spôsoby, ako tento problém vyriešiť aplikáciou ekologickejších metód a metód na výrobu uhlíkových nanorúrok. Bolo tiež navrhnuté, aby výrobcovia tohto materiálu zaujali seriózny prístup k otázke „vyčistenia“ dôsledkov procesu CVD, čo môže následne ovplyvniť zvýšenie nákladov na výrobky.

Fotografia negatívneho vplyvu nanorúriek na bunky a) bunky Escherichia coli pred vystavením nanorúrkám; b) bunky po expozícii nanotrubičkám

V modernom svete uhlíkové nanorúrky významne prispievajú k rozvoju inovatívnych technológií. Odborníci predpovedajú nárast výroby nanorúrok v nasledujúcich rokoch a pokles cien týchto produktov. To následne rozšíri rozsah nanorúriek a zvýši dopyt spotrebiteľov na trhu.

Uhlíkové nanorúrky sú materiálom, o ktorom snívajú mnohí vedci. Vysoký faktor pevnosti, vynikajúca tepelná a elektrická vodivosť, požiarna odolnosť a hmotnostný koeficient je rádovo vyšší ako väčšina známych materiálov. Uhlíkové nanorúrky sú grafénová vrstva zvinutá do trubice. Ruskí vedci Konstantin Novoselov a Andrey Geim dostali v roku 2010 za jeho objav Nobelovu cenu.

Sovietski vedci mohli prvýkrát pozorovať uhlíkové trubice na povrchu železného katalyzátora už v roku 1952. Trvalo však päťdesiat rokov, kým vedci videli nanorúrky ako perspektívny a užitočný materiál. Jednou z pozoruhodných vlastností týchto nanorúriek je, že ich vlastnosti určuje geometria. Takže ich elektrické vlastnosti závisia od uhla natočenia - nanorúrky môžu demonštrovať polovodičovú a kovovú vodivosť.

Čo je to

Mnoho sľubných oblastí v nanotechnológii je dnes spojených s uhlíkovými nanorúrkami. Jednoducho povedané, uhlíkové nanorúrky sú obrovské molekuly alebo rámcové štruktúry, ktoré pozostávajú iba z atómov uhlíka. Je ľahké si predstaviť takú nanorúru, ak si predstavíme, že grafén sa valcuje do trubice - to je jedna z molekulárnych vrstiev grafitu. Spôsob skladania nanorúrok do značnej miery určuje konečné vlastnosti daného materiálu.

Prirodzene, nikto nevytvára nanorúrky ich špeciálnym valcovaním z grafitu. Nanorúrky sa samy vytvárajú napríklad na povrchu uhlíkových elektród alebo medzi nimi pri oblúkovom výboji. Atómy uhlíka sa počas výboja odparujú z povrchu a navzájom sa spájajú. V dôsledku toho vznikajú nanorúrky rôznych typov – viacvrstvové, jednovrstvové a s rôznymi uhlami natočenia.

Hlavná klasifikácia nanorúriek je založená na počte ich základných vrstiev:

• Jednostenné nanorúrky sú najjednoduchším typom nanorúriek. Väčšina z nich má priemer rádovo 1 nm s dĺžkou, ktorá môže byť tisíckrát dlhšia;
• viacvrstvové nanorúrky, pozostávajúce z niekoľkých vrstiev grafénu, sa skladajú do tvaru trubice. Medzi vrstvami sa vytvorí vzdialenosť 0,34 nm, teda identická so vzdialenosťou medzi vrstvami v kryštáli grafitu.

Zariadenie

Nanorúrky sú predĺžené valcové štruktúry uhlíka, ktoré môžu byť dlhé až niekoľko centimetrov a môžu mať priemer od jedného do niekoľkých desiatok nanometrov. Zároveň dnes existujú technológie, ktoré umožňujú ich splietanie do nití neobmedzenej dĺžky. Môžu pozostávať z jednej alebo viacerých grafénových rovín zvinutých do trubice, ktoré zvyčajne končia pologuľovou hlavou.

Priemer nanorúrok je niekoľko nanometrov, teda niekoľko miliardtín metra. Steny uhlíkových nanorúriek sú tvorené šesťuholníkmi s atómami uhlíka vo svojich vrcholoch. Rúry môžu mať rôzny typ štruktúry, je to on, kto ovplyvňuje ich mechanické, elektronické a chemické vlastnosti. Jednovrstvové rúry majú menej defektov, zároveň je možné po žíhaní pri vysokej teplote v inertnej atmosfére získať aj rúry bez defektov. Viacstenné nanorúrky sa líšia od štandardných jednostenných nanorúriek v oveľa širšej škále konfigurácií a tvarov.

Uhlíkové nanorúrky možno syntetizovať mnohými spôsobmi, ale najbežnejšie sú:

• oblúkový výboj. Metóda zabezpečuje výrobu nanorúrok na technologických zariadeniach na výrobu fullerénov v plazme oblúkového výboja, ktorý horí v héliovej atmosfére. Používajú sa tu však iné spôsoby oblúka: vyšší tlak hélia a nízke prúdové hustoty, ako aj katódy s väčším priemerom. Katódové ložisko obsahuje nanorúrky s dĺžkou až 40 μm, vyrastajú kolmo od katódy a spájajú sa do valcových zväzkov.
• Metóda laserovej ablácie . Metóda je založená na odparovaní grafitového terča v špeciálnom vysokoteplotnom reaktore. Na ochladzovanom povrchu reaktora sa tvoria nanorúrky vo forme grafitového odparovacieho kondenzátu. Táto metóda umožňuje predovšetkým získať jednostenné nanorúrky s požadovaným priemerom riadeným pomocou teploty. Ale táto metóda je oveľa drahšia ako ostatné.
• Chemická depozícia pár . Tento spôsob zahŕňa prípravu substrátu s vrstvou katalyzátora, ktorou môžu byť častice železa, kobaltu, niklu alebo ich kombinácie. Priemer nanorúrok pestovaných týmto spôsobom bude závisieť od veľkosti použitých častíc. Substrát sa zahreje až na 700 stupňov. Na spustenie rastu nanorúriek sa do reaktora zavádza plyn obsahujúci uhlík a procesný plyn (vodík, dusík alebo amoniak). Nanorúrky rastú na miestach s kovovými katalyzátormi.

Aplikácie a funkcie

• Aplikácie vo fotonike a optike . Výberom priemeru nanorúrok je možné zabezpečiť optickú absorpciu vo veľkom spektrálnom rozsahu. Jednostenné uhlíkové nanorúrky vykazujú silnú nelinearitu saturovateľnej absorpcie, t.j. pri dostatočne intenzívnom svetle sa stávajú transparentnými. Preto ich možno použiť na rôzne aplikácie v oblasti fotoniky, napríklad v smerovačoch a prepínačoch, na vytváranie ultrakrátkych laserových impulzov a regeneráciu optických signálov.
• Aplikácia v elektronike . Momentálne je ohlásených veľa spôsobov využitia nanorúriek v elektronike, no len malá časť z nich sa dá implementovať. Najväčší záujem je o použitie nanorúrok v priehľadných vodičoch ako tepelne odolného medzifázového materiálu.

Relevantnosť pokusov o zavedenie nanorúriek v elektronike je spôsobená potrebou nahradiť indium v ​​chladičoch, ktoré sa používajú vo vysokovýkonných tranzistoroch, grafických procesoroch a centrálnych procesoroch, pretože zásoby tohto materiálu sa znižujú a jeho cena rastie .

• Tvorba senzorov . Uhlíkové nanorúrky pre senzory sú jedným z najzaujímavejších riešení. Ultratenké fólie z jednostenných nanorúrok sa v súčasnosti môžu stať najlepším základom pre elektronické senzory. Môžu byť vyrobené rôznymi spôsobmi.
• Tvorba biočipov, biosenzorov , kontrola cieleného podávania a pôsobenia liečiv v biotechnologickom priemysle. Práca v tomto smere sa v súčasnosti vykonáva s veľkou silou. Vysokovýkonná analýza vykonaná pomocou nanotechnológie výrazne skráti čas potrebný na uvedenie technológie na trh.
• Dnes rýchlo rastie výroba nanokompozitov , väčšinou polymérne. Keď sa do nich zavedie aj malé množstvo uhlíkových nanorúrok, dôjde k významnej zmene vlastností polymérov. Takže zvyšujú tepelnú a chemickú odolnosť, tepelnú vodivosť, elektrickú vodivosť, zlepšujú mechanické vlastnosti. Desiatky materiálov boli vylepšené pridaním uhlíkových nanorúrok;

Kompozitné vlákna na báze polymérov s nanorúrkami;
keramické kompozity s prísadami. Zvyšuje sa odolnosť keramiky voči trhlinám, objavuje sa ochrana pred elektromagnetickým žiarením, zvyšuje sa elektrická a tepelná vodivosť;
betón s nanorúrkami - zvyšuje sa akosť, pevnosť, odolnosť proti praskaniu, znižuje sa zmršťovanie;
kovové kompozity. Najmä medené kompozity, ktorých mechanické vlastnosti sú niekoľkonásobne vyššie ako u bežnej medi;
hybridné kompozity, ktoré obsahujú tri zložky naraz: anorganické alebo polymérne vlákna (tkaniny), spojivo a nanorúrky.

Výhody a nevýhody

Medzi výhody uhlíkových nanorúriek patria:

• Mnoho jedinečných a skutočne užitočných vlastností, ktoré možno uplatniť v oblasti riešení energetickej účinnosti, fotoniky, elektroniky a iných aplikácií.
• Ide o nanomateriál, ktorý má vysoký faktor pevnosti, výbornú tepelnú a elektrickú vodivosť a požiarnu odolnosť.
• Zlepšenie vlastností iných materiálov zavedením malého množstva uhlíkových nanorúrok do nich.
• Uhlíkové nanorúrky s otvoreným koncom vykazujú kapilárny efekt, čo znamená, že môžu nasávať roztavené kovy a iné kvapaliny;
• Nanorúrky spájajú vlastnosti pevnej látky a molekúl, čo otvára významné vyhliadky.

Medzi nevýhody uhlíkových nanorúriek patria:

• Uhlíkové nanorúrky sa v súčasnosti nevyrábajú v priemyselnom meradle, takže ich komerčné využitie je obmedzené.
• Výrobné náklady na uhlíkové nanorúrky sú vysoké, čo tiež obmedzuje ich použitie. Vedci však usilovne pracujú na znížení nákladov na ich výrobu.
• Potreba zlepšiť výrobné technológie na vytváranie uhlíkových nanorúrok s presne špecifikovanými vlastnosťami.

vyhliadky

V blízkej budúcnosti sa uhlíkové nanorúrky budú používať všade, budú sa používať na vytváranie:

• Nanováhy, kompozitné materiály, vysokovýkonné vlákna.
• Palivové články, priehľadné vodivé povrchy, nanodrôty, tranzistory.
• Najnovší vývoj neuropočítačov.
• Displeje, LED diódy.
• Zariadenia na skladovanie kovov a plynov, kapsuly na aktívne molekuly, nanopipety.
• Lekárske nanoroboty na podávanie liekov a operácie.
• Miniatúrne snímače s ultra vysokou citlivosťou. Takéto nanosenzory môžu nájsť uplatnenie v biotechnologických, medicínskych a vojenských aplikáciách.
• Kábel pre vesmírny výťah.
• Ploché priehľadné reproduktory.
• umelé svaly. V budúcnosti sa objavia kyborgovia, roboti, invalidi sa vrátia do plnohodnotného života.
• Motory a generátory elektrickej energie.
• Šikovné, ľahké a pohodlné oblečenie, ktoré vás ochráni pred každou nepriazňou.
• Bezpečné superkondenzátory s rýchlym nabíjaním.

To všetko je budúcnosť, pretože priemyselné technológie na tvorbu a využitie uhlíkových nanorúriek sú v počiatočnom štádiu vývoja a ich cena je extrémne drahá. Ruskí vedci už ale oznámili, že našli spôsob, ako dvestonásobne znížiť náklady na vytvorenie tohto materiálu. Táto unikátna technológia výroby uhlíkových nanorúriek je v súčasnosti utajovaná, no mala by spôsobiť revolúciu v priemysle a mnohých ďalších oblastiach.

Štruktúra a klasifikácia nanorúriek

uhlíkové nanorúrky

uhlíkové nanorúrky(uhlíkové nanorúrky, CNT) - molekulárne zlúčeniny patriace do triedy alotropných modifikácií uhlíka. Sú to rozšírené valcové štruktúry s priemerom jeden až niekoľko desiatok nanometrov a dĺžkou jeden až niekoľko mikrónov.

Obrázok 8. Uhlíková nanorúrka

Nanorúrky pozostávajú z jednej alebo viacerých vrstiev zvinutých do rúrky, z ktorých každá predstavuje šesťuholníkovú sieť grafitu (grafénu), ktorá je založená na šesťuholníkoch s uhlíkovými atómami umiestnenými v rohových vrcholoch. Vo všetkých prípadoch je vzdialenosť medzi vrstvami 0,34 nm, teda rovnaká ako medzi vrstvami v kryštalickom grafite.

Horné konce rúrok sú uzavreté pologuľovitými uzávermi, ktorých každá vrstva je zložená zo šesťuholníkov a päťuholníkov, ktoré svojou štruktúrou pripomínajú polovicu molekuly fullerénu.

Predpokladá sa, že objaviteľom uhlíkových nanorúrok je zamestnanec japonskej korporácie NEC Sumio Iijima, ktorý v roku 1991 pozoroval štruktúry viacvrstvových nanorúrok pri štúdiu usadenín pod elektrónovým mikroskopom, ktoré vznikli pri syntéze molekulárnych foriem čistého uhlíka bunkovú štruktúru.

Ideálna nanorúrka je grafitová rovina zvinutá do valca, t.j. povrch lemovaný pravidelnými šesťuholníkmi, na vrcholoch ktorých sú atómy uhlíka.

Parameter označujúci súradnice šesťuholníka, ktorý by sa v dôsledku zloženia roviny mal zhodovať so šesťuholníkom umiestneným v počiatku súradníc, sa nazýva chiralita nanorúrky. Chiralita nanorúrky určuje jej elektrické vlastnosti.

Pozorovania elektrónovým mikroskopom ukázali, že väčšina nanorúrok pozostáva z niekoľkých grafitových vrstiev, buď vnorených jedna do druhej, alebo navinutých okolo spoločnej osi.

Jednostenné nanorúrky(jednostenné nanorúrky, SWNT) – najjednoduchší typ nanorúrok. Väčšina z nich má priemer približne 1 nm s dĺžkou, ktorá môže byť tisíckrát dlhšia.

Obrázok 9. Model jednostennej nanorúrky.

Takáto trubica končí pologuľovými vrcholmi obsahujúcimi spolu s pravidelnými šesťuholníkmi aj šesť pravidelných päťuholníkov.

Experimentálne pozorovaná štruktúra jednostenných nanorúrok sa v mnohých ohľadoch líši od vyššie uvedeného idealizovaného obrázku. V prvom rade ide o vrcholy nanorúrok, ktorých tvar, ako vyplýva z pozorovaní, má ďaleko od ideálnej pologule.

Obrázok 10. Modely prierezu viacstenných nanorúrok

Viacvrstvové nanorúrky sa líšia od jednovrstvových nanorúriek v oveľa širšej škále tvarov a konfigurácií, a to v pozdĺžnom aj priečnom smere. Možné varianty priečnej štruktúry viacvrstvových nanorúriek sú znázornené na obrázku 10.

Štruktúra ruských bábik je zbierka koaxiálne vnorených jednovrstvových nanorúrok ( Obrázok 10 a). Posledná z vyššie uvedených štruktúr (obrázok 10 b) pripomína zvitok. Pre dané štruktúry je vzdialenosť medzi susednými grafitovými vrstvami blízka 0,34 nm, t.j. vzdialenosť medzi susednými rovinami kryštalického grafitu. Realizácia tej či onej štruktúry v konkrétnej experimentálnej situácii závisí od podmienok syntézy nanorúrok. 2.2 Získavanie uhlíkových nanorúrok

Najbežnejšími metódami syntézy nanorúriek sú metóda elektrického oblúka, laserová ablácia a chemická depozícia z pár (CVD).

Oblúkový výboj - podstata tejto metódy spočíva vo výrobe uhlíkových nanorúrok v oblúkovom výboji plazmovým spaľovaním v héliovej atmosfére na technologických zariadeniach na výrobu fullerénov. Tu sa však používajú iné režimy horenia oblúka: nízke prúdové hustoty oblúkového výboja, vyšší tlak hélia (~ 500 Torr), väčšie katódy. Na získanie maximálneho počtu nanorúrok by mal byť prúd oblúka 65-75 A, napätie - 20-22 V, teplota elektrónovej plazmy - asi 4000 K. Za týchto podmienok sa grafitová anóda intenzívne odparuje a dodáva jednotlivé atómy alebo páry atómov uhlíka, z ktorých na katóde alebo na vodou chladených stenách komory vznikajú uhlíkové nanorúrky.

Na zvýšenie výťažku nanorúriek v produktoch naprašovania sa do grafitovej tyče zavedie katalyzátor (zmesi kovov skupiny železa), zmení sa tlak inertného plynu a spôsob rozprašovania.

Obsah nanorúrok v katódovom ložisku dosahuje 60 %. Výsledné nanorúrky s dĺžkou až 40 µm rastú z katódy kolmo na jej povrch a spájajú sa do valcových lúčov s priemerom približne 50 nm.

Typická schéma inštalácie elektrického oblúka na výrobu materiálu obsahujúceho nanorúrky a fullerény, ako aj iné uhlíkové formácie, je znázornená na obrázku 11.

Obrázok 11. Schéma inštalácie na získanie nanorúriek metódou elektrického oblúka.

Laserová ablácia bola vynájdená Richardom Smalleym a Rice University a je založená na odparovaní grafitového terča vo vysokoteplotnom reaktore. Nanorúrky sa objavujú na ochladenom povrchu reaktora ako grafitový kondenzát z odparovania. Vodou chladený povrch môže byť zahrnutý do systému zberu nanorúrok. Výťažok produktu pri tomto spôsobe je asi 70 %. S jeho pomocou sa získavajú prevažne jednostenné uhlíkové nanorúrky s priemerom riadeným reakčnou teplotou. Náklady na túto metódu sú však oveľa drahšie ako ostatné.

Chemické vylučovanie z pár (CVD) - metóda katalytického vylučovania uhlíka z pár bola objavená už v roku 1959, ale až do roku 1993 nikto nepredpokladal, že týmto procesom možno získať nanorúrky.

Obrázok 12. Schéma zariadenia na získavanie nanorúriek chemickým nanášaním.

Ako katalyzátor sa používa jemne rozptýlený kovový prášok (najčastejšie nikel, kobalt, železo alebo ich kombinácie), ktorý sa naleje do keramického téglika umiestneného v kremennej trubici. Tá je zasa umiestnená vo vykurovacom zariadení, ktoré umožňuje udržiavať kontrolovanú teplotu v rozmedzí od 700 do 1000°C. Cez kremennú trubicu sa vháňa zmes plynného uhľovodíka a vyrovnávacieho plynu. Typické zloženie zmesi C2H2:N2 v pomere 1:10. Proces môže trvať niekoľko minút až niekoľko hodín. Na povrchu katalyzátora rastú dlhé uhlíkové vlákna, viacvrstvové nanorúrky s dĺžkou až niekoľko desiatok mikrometrov s vnútorným priemerom 10 nm a vonkajším priemerom 100 nm. Priemer takto pestovaných nanorúrok závisí od veľkosti kovových častíc.

Tento mechanizmus je najbežnejšou komerčnou metódou výroby uhlíkových nanorúrok. Spomedzi iných metód získavania nanorúriek je CVD najsľubnejšie v priemyselnom meradle vďaka najlepšiemu pomeru z hľadiska jednotkovej ceny. Okrem toho umožňuje získať vertikálne orientované nanorúrky na požadovanom substráte bez dodatočného zberu, ako aj kontrolovať ich rast prostredníctvom katalyzátora.

Široké vyhliadky na použitie nanorúriek v materiálovej vede sa otvárajú, keď sú supravodivé kryštály (napr. TaC) zapuzdrené vo vnútri uhlíkových nanorúrok. Možnosť získania supravodivých kryštálov zapuzdrených v nanorúrkach umožňuje ich izoláciu od škodlivých vplyvov vonkajšieho prostredia, napríklad od oxidácie, čím sa otvára cesta k efektívnejšiemu vývoju zodpovedajúcich nanotechnológií.

Veľká negatívna magnetická susceptibilita nanorúriek naznačuje ich diamagnetické vlastnosti. Predpokladá sa, že diamagnetizmus nanorúriek je spôsobený tokom elektrónových prúdov po ich obvode. Hodnota magnetickej susceptibility nezávisí od orientácie vzorky, čo súvisí s jej neusporiadanou štruktúrou.

Mnohé technologické aplikácie nanorúriek sú založené na ich vysokom špecifickom povrchu (v prípade jednovrstvovej nanorúrky cca 600 metrov štvorcových na 1/g), čo otvára možnosť ich využitia ako pórovitého materiálu vo filtroch atď. .

Materiál nanorúriek je možné úspešne použiť ako nosný substrát pre heterogénnu katalýzu a katalytická aktivita otvorených nanorúrok výrazne prevyšuje zodpovedajúci parameter pre uzavreté nanorúrky.

Ako elektródy pre elektrolytické kondenzátory s vysokým špecifickým výkonom je možné použiť nanorúrky s vysokým špecifickým povrchom. Uhlíkové nanorúrky sa dobre osvedčili v experimentoch s ich použitím ako povlaku, ktorý podporuje tvorbu diamantového filmu.

Takéto vlastnosti nanorúrky, ako je jej malá veľkosť, ktorá sa značne líši v závislosti od podmienok syntézy, elektrickej vodivosti, mechanickej pevnosti a chemickej stability, umožňujú považovať nanorúrku za základ budúcich mikroelektronických prvkov.

Nanorúrky môžu slúžiť ako základ najtenšieho meracieho nástroja používaného na kontrolu povrchových nehomogenít elektronických obvodov.

Zaujímavé aplikácie možno získať plnením nanorúriek rôznymi materiálmi. V tomto prípade môže byť nanorúrka použitá ako nosič materiálu, ktorý ju vypĺňa, a ako izolačný plášť, ktorý chráni tento materiál pred elektrickým kontaktom alebo chemickou interakciou s okolitými predmetmi.