Ang mga carbon nanotubes CNT ay mga kakaibang cylindrical molecule na may diameter na humigit-kumulang kalahating nanometer at may haba na hanggang ilang micrometers. Ang carbon nanotubes ay mga guwang na pinahabang cylindrical na istruktura na may diameter ng pagkakasunud-sunod ng ilang hanggang sampu-sampung nanometer, ang haba ng tradisyonal na nanotubes ay kinakalkula sa microns, bagaman ang mga istruktura na may haba ng pagkakasunud-sunod ng millimeters at kahit na sentimetro ay nakuha na sa mga laboratoryo . Ang mutual na oryentasyon ng graphite hexagonal grid at ang longitudinal axis ng nanotube ay tumutukoy sa isang napakahalagang...

Ibahagi ang trabaho sa mga social network

Kung hindi angkop sa iyo ang gawaing ito, mayroong isang listahan ng mga katulad na gawa sa ibaba ng pahina. Maaari mo ring gamitin ang pindutan ng paghahanap

PANIMULA

Ngayon, ang teknolohiya ay umabot sa ganoong antas ng pagiging perpekto na ang mga microcomponents ay nagiging mas paunti nang ginagamit sa modernong teknolohiya, at unti-unting pinapalitan ng mga nanocomponents. Kinukumpirma nito ang trend patungo sa mas malaking miniaturization ng mga electronic device. Nagkaroon ng pangangailangan upang makabisado ang isang bagong antas ng pagsasama - ang nanolevel. Bilang resulta, nagkaroon ng pangangailangan na kumuha ng mga transistor, mga wire na may mga sukat sa hanay mula 1 hanggang 20 nanometer. Ang solusyon sa problemang ito ay noong 1985. pagtuklas ng mga nanotubes, ngunit nagsimula silang pag-aralan simula noong 1990, nang malaman nila kung paano makuha ang mga ito sa sapat na dami.

Ang mga carbon nanotubes (CNTs) ay mga kakaibang cylindrical na molekula

humigit-kumulang kalahating nanometer ang lapad at hanggang ilang micrometer ang haba. Ang mga polymer system na ito ay unang natuklasan bilang mga by-product ng synthesis ng fullerene C 60 . Gayunpaman, ang laki ng nanometer (molekular) na mga elektronikong aparato ay nililikha na batay sa carbon nanotubes. Inaasahan na sa nakikinita na hinaharap ay papalitan nila ang mga elemento ng isang katulad na layunin sa mga electronic circuit ng iba't ibang mga aparato, kabilang ang mga modernong computer.

1. Ang konsepto ng carbon nanotubes

Noong 1991, pinag-aaralan ng Japanese researcher na si Ijima ang deposito na nabuo sa cathode nang ang grapayt ay tumalsik sa isang electric arc. Ang kanyang pansin ay iginuhit sa hindi pangkaraniwang istraktura ng sediment, na binubuo ng mga microscopic filament at fibers. Ang mga sukat ng electron microscope ay nagpakita na ang diameter ng naturang mga filament ay hindi lalampas sa ilang nanometer, at ang haba ay mula isa hanggang ilang microns. Ang pagkakaroon ng pinamamahalaang upang i-cut ang isang manipis na tubo sa kahabaan ng longitudinal axis, natuklasan ng mga siyentipiko na ito ay binubuo ng isa o higit pang mga layer, ang bawat isa ay isang hexagonal grid ng grapayt, na batay sa mga hexagons na may mga carbon atom na matatagpuan sa sulok ng mga vertices. Sa lahat ng mga kaso, ang distansya sa pagitan ng mga layer ay 0.34 nm, iyon ay, pareho sa pagitan ng mga layer sa crystalline graphite. Bilang isang patakaran, ang mga itaas na dulo ng mga tubo ay sarado na may multilayer hemispherical caps, ang bawat layer na kung saan ay binubuo ng mga hexagons at pentagons, na kahawig ng istraktura ng kalahating fullerene molecule.

Ang mga pinahabang istruktura na binubuo ng mga nakatiklop na hexagonal na network na may mga carbon atom sa mga node ay tinatawag na nanotubes. Ang pagtuklas ng mga nanotubes ay pumukaw ng malaking interes sa mga mananaliksik na kasangkot sa paglikha ng mga materyales at istruktura na may hindi pangkaraniwang pisikal at kemikal na mga katangian.

Ang carbon nanotubes ay mga guwang na pinahabang cylindrical na istruktura na may diameter na ilang hanggang sampu-sampung nanometer (ang haba ng tradisyonal na nanotubes ay sinusukat sa microns, bagama't ang mga istruktura na may haba ng pagkakasunud-sunod ng millimeters at kahit na sentimetro ay nakuha na sa mga laboratoryo).

Ang perpektong nanotube ay isang silindro na nakuha sa pamamagitan ng pag-roll ng isang flat hexagonal grid ng grapayt na walang mga tahi.Ang mutual na oryentasyon ng graphite hexagonal network at ang longitudinal axis ng nanotube ay tumutukoy sa isang napakahalagang katangian ng istruktura ng nanotube, na tinatawag na chirality. Ang chirality ay nailalarawan sa pamamagitan ng dalawang integer ( m, n ) na nagsasaad ng lokasyon ng grid hexagon na, bilang resulta ng pagtiklop, ay dapat na tumutugma sa hexagon na matatagpuan sa pinanggalingan.

Ang nabanggit ay inilalarawan sa Fig. 1.1, na nagpapakita ng isang bahagi ng isang hexagonal graphite network, ang pagtitiklop nito sa isang silindro ay humahantong sa pagbuo ng single-layer nanotubes na may iba't ibang chirality. Ang chirality ng isang nanotube ay maaari ding natatanging matukoy sa pamamagitan ng anggulo na nabuo sa pamamagitan ng direksyon ng pagtitiklop ng nanotube at ang direksyon kung saan ang mga katabing hexagon ay may isang karaniwang panig. Ang mga direksyong ito ay ipinapakita din sa Figure 1.1. Mayroong maraming mga variant ng nanotubes na natitiklop, ngunit kabilang sa mga ito ay ang mga hindi nagreresulta sa pagbaluktot ng istraktura ng hexagonal network. Ang mga direksyong ito ay tumutugma sa mga anggulo a = 0 at a = 30°, na tumutugma sa chirality(m , 0) at (2n , n ).

Tinutukoy ng mga indeks ng chirality ng isang single-layer na tubo ang diameter nito D :

saan d0 Ang = 0.142 nm ay ang distansya sa pagitan ng mga carbon atom sa hexagonal grid ng graphite. Ginagawang posible ng expression sa itaas na matukoy ang chirality nito mula sa diameter ng isang nanotube.

Fig.1.1. Isang modelo para sa pagbuo ng mga nanotubes na may iba't ibang chirality kapag ang isang graphite hexagonal grid ay pinagsama sa isang silindro.

Ang mga carbon nanotubes ay nailalarawan sa pamamagitan ng iba't ibang uri ng mga hugis. Halimbawa, maaari silang maging single-walled o multi-walled (single-layer o multi-layered), tuwid o spiral, mahaba at maikli, atbp.

Sa Fig.1.2. at Fig. 1.3. ang modelo ng carbon single-layer at ang modelo ng carbon multilayer nanotubes ay ipinakita, ayon sa pagkakabanggit.

Fig. 1.2. Modelo ng isang single-layer na carbon nanotube

Fig.1.3 Modelo ng isang carbon multilayer nanotube

Ang mga multilayer na carbon nanotube ay naiiba sa mga single-layer sa mas malawak na iba't ibang mga hugis at configuration. Ang mga posibleng uri ng transverse na istraktura ng multilayer nanotubes ay ipinapakita sa Fig. 1.4.a at b. Ang istraktura na ipinapakita sa Figure 1.4.a, tinatawag na Russian matryoshka. Ito ay coaxially nested single-layer cylindrical nanotubes. Ang istraktura na ipinapakita sa fig. 1.4.b, kahawig ng isang roll o scroll. Para sa lahat ng mga istrukturang isinasaalang-alang, ang average na distansya sa pagitan ng mga katabing layer, tulad ng sa grapayt, ay 0.34 nm.

Fig.1.4. Mga modelo ng cross section ng multilayer nanotubes: a - Russian matryoshka, b - mag-scroll.

Habang tumataas ang bilang ng mga layer, lalong lumilitaw ang mga paglihis mula sa perpektong cylindrical na hugis. Sa ilang mga kaso, ang panlabas na shell ay tumatagal ng anyo ng isang polyhedron. Minsan ang ibabaw na layer ay isang istraktura na may hindi maayos na pag-aayos ng mga atomo ng carbon. Sa ibang mga kaso, ang mga depekto sa anyo ng mga pentagon at heptagon ay nabuo sa perpektong hexagonal network ng panlabas na layer ng nanotube, na humahantong sa isang paglabag sa cylindrical na hugis. Ang pagkakaroon ng isang pentagon ay nagiging sanhi ng isang matambok, at isang heptagon, malukong baluktot ng cylindrical na ibabaw ng nanotube. Ang ganitong mga depekto ay humantong sa hitsura ng baluktot at helical nanotubes, na, sa proseso ng paglago, twist, twist sa kanilang mga sarili, na bumubuo ng mga loop at iba pang pinahabang mga istraktura ng kumplikadong hugis.

Mahalaga, ang mga nanotubes ay napatunayang napakalakas sa pag-igting at baluktot. Sa ilalim ng pagkilos ng mataas na mga stress sa makina, ang mga nanotubes ay hindi mapunit o masira, ngunit ang kanilang istraktura ay muling inayos. Sa pamamagitan ng paraan, dahil pinag-uusapan natin ang lakas ng nanotubes, kagiliw-giliw na tandaan ang isa sa mga pinakabagong pag-aaral sa likas na katangian ng ari-arian na ito.

Natuklasan ng mga mananaliksik ng Rice University na pinamumunuan ni Boris Jacobson na ang mga carbon nanotubes ay kumikilos tulad ng "smart self-healing structures" (na-publish ang pag-aaral noong Pebrero 16, 2007 sa journal Physical Review Letters). Kaya, sa ilalim ng kritikal na mekanikal na stress at mga deformasyon na dulot ng mga pagbabago sa temperatura o radioactive radiation, ang mga nanotubes ay nagagawang "ayusin" ang kanilang mga sarili. Lumalabas na bilang karagdagan sa 6-carbon na mga cell, ang mga nanotubes ay naglalaman din ng lima- at pitong-atom na kumpol. Ang 5/7-atom na mga cell na ito ay nagpapakita ng hindi pangkaraniwang pag-uugali, na nagbibisikleta sa ibabaw ng carbon nanotube tulad ng mga steamboat sa dagat. Kapag nangyari ang pinsala sa lugar ng depekto, ang mga selulang ito ay nakikibahagi sa "pagpapagaling ng sugat", muling pamamahagi ng enerhiya.

Bilang karagdagan, ang mga nanotubes ay nagpapakita ng maraming hindi inaasahang mga katangian ng elektrikal, magnetic, at optical, na naging mga bagay na ng ilang mga pag-aaral. Ang isang tampok ng carbon nanotubes ay ang kanilang electrical conductivity, na naging mas mataas kaysa sa lahat ng kilalang conductor. Mayroon din silang mahusay na thermal conductivity, ay chemically stable at, pinaka-kawili-wili, ay maaaring makakuha ng semiconducting properties. Sa mga tuntunin ng mga elektronikong katangian, ang mga carbon nanotube ay maaaring kumilos tulad ng mga metal o tulad ng mga semiconductors, na tinutukoy ng oryentasyon ng mga polygon ng carbon na nauugnay sa axis ng tubo.

Ang mga nanotubes ay may posibilidad na magkadikit nang mahigpit sa isa't isa, na bumubuo ng mga set na binubuo ng metal at semiconductor nanotubes. Hanggang ngayon, ang isang mahirap na gawain ay ang synthesis ng isang hanay ng mga semiconductor nanotubes lamang o ang paghihiwalay (paghihiwalay) ng mga semiconductor nanotubes mula sa mga metal.

2. Mga katangian ng carbon nanotubes

mga epekto ng capillary

Upang obserbahan ang mga epekto ng capillary, kinakailangan upang buksan ang mga nanotubes, iyon ay, alisin ang itaas na bahagi - ang mga takip. Sa kabutihang palad, ang operasyong ito ay medyo simple. Ang isang paraan upang alisin ang mga takip ay ang pag-anneal ng mga nanotube sa 850°C sa loob ng ilang oras sa isang stream ng carbon dioxide. Bilang resulta ng oksihenasyon, halos 10% ng lahat ng nanotubes ay bukas. Ang isa pang paraan upang sirain ang mga saradong dulo ng nanotubes ay ang pagkakalantad sa concentrated nitric acid sa loob ng 4.5 oras sa temperatura na 240°C. Bilang resulta ng paggamot na ito, 80% ng mga nanotubes ay naging bukas.

Ang mga unang pag-aaral ng mga capillary phenomena ay nagpakita na mayroong isang relasyon sa pagitan ng magnitude ng pag-igting sa ibabaw ng isang likido at ang posibilidad na ito ay iguguhit sa nanotube channel. Ito ay lumabas na ang likido ay tumagos sa nanotube channel kung ang pag-igting sa ibabaw nito ay hindi mas mataas kaysa sa 200 mN/m. Samakatuwid, upang ipakilala ang anumang mga sangkap sa nanotubes, ginagamit ang mga solvent na may mababang pag-igting sa ibabaw. Halimbawa, ang concentrated nitric acid, ang tensyon sa ibabaw na kung saan ay mababa (43 mN/m), ay ginagamit upang ipasok ang ilang mga metal sa nanotube channel. Pagkatapos ang pagsusubo ay isinasagawa sa 400 ° C para sa 4 na oras sa isang hydrogen na kapaligiran, na humahantong sa pagbawas ng metal. Sa ganitong paraan, nakuha ang mga nanotubes na naglalaman ng nickel, cobalt, at iron.

Kasama ng mga metal, ang carbon nanotubes ay maaaring punuin ng mga gas na sangkap, tulad ng molecular hydrogen. Ang kakayahang ito ay may malaking praktikal na kahalagahan, dahil ito ay nagbubukas ng posibilidad ng ligtas na pag-iimbak ng hydrogen, na maaaring magamit bilang isang environment friendly na gasolina sa mga panloob na combustion engine.

Electrical resistivity ng carbon nanotubes

Dahil sa maliit na sukat ng carbon nanotubes, noong 1996 lamang posible na direktang sukatin ang kanilang electrical resistivity p gamit ang four-prong method. Upang pahalagahan ang kasanayang pang-eksperimentong kinakailangan para dito, magbibigay kami ng maikling paglalarawan ng pamamaraang ito. Ang mga gintong guhit ay idineposito sa isang makintab na ibabaw ng silicon oxide sa isang vacuum. Ang mga nanotubes na 2–3 µm ang haba ay idineposito sa pagitan nila. Pagkatapos, apat na tungsten conductor na 80 nm ang kapal ay idineposito sa isa sa mga nanotubes na pinili para sa pagsukat, ang pag-aayos kung saan ay ipinapakita sa Fig. 2. Ang bawat isa sa mga konduktor ng tungsten ay may kontak sa isa sa mga gintong piraso. Ang distansya sa pagitan ng mga contact sa nanotube ay mula 0.3 hanggang 1 μm. Ang mga resulta ng direktang pagsukat ay nagpakita na ang resistivity ng nanotubes ay maaaring mag-iba sa loob ng isang malawak na hanay, mula sa 5.1 10-6 hanggang sa 0.8 ohm/cm. Ang pinakamababang p value ay isang order ng magnitude na mas mababa kaysa sa graphite. Karamihan sa mga nanotubes ay may metallic conductivity, habang ang mas maliit na bahagi ay nagpapakita ng mga katangian ng isang semiconductor na may band gap na 0.1 hanggang 0.3 eV.

Fig.2. Scheme para sa pagsukat ng electrical resistance ng isang indibidwal na nanotube sa pamamagitan ng four-probe method: 1 - substrate ng silikon oxide, 2 - mga gintong pad 3 - mga tungsten conductive track, 4 - carbon nanotube.

3.Mga paraan para sa synthesis ng carbon nanotubes

3.1 Paraan ng electric arc

Ang pinaka-malawak na ginagamit na paraan para sa pagkuha ng nanotubes,

gamit ang thermal spraying ng isang graphite electrode sa isang plasma

arc discharge nasusunog sa isang helium na kapaligiran.

Sa isang arc discharge sa pagitan ng anode at ng cathode sa boltahe na 20-25 V, isang nagpapatatag na direktang arko na kasalukuyang 50-100 A, isang interelectrode na distansya na 0.5-2 mm, at isang presyon ng He 100-500 Torr, intensive nangyayari ang sputtering ng anode material. Ang bahagi ng mga sputtering na produkto na naglalaman ng graphite, soot, at fullerenes ay idineposito sa mga cooled wall ng chamber, habang ang bahaging naglalaman ng graphite at multilayer carbon nanotubes (MWNTs) ay idineposito sa ibabaw ng cathode. Maraming mga kadahilanan ang nakakaimpluwensya sa ani ng nanotubes.

Ang pinakamahalaga ay ang He pressure sa reaction chamber, na, sa ilalim ng pinakamainam na kondisyon mula sa punto ng view ng produksyon ng NT, ay 500 Torr, at hindi 100-150 Torr, tulad ng sa kaso ng fullerenes. Ang isa pang pantay na mahalagang kadahilanan ay ang arc current: ang pinakamataas na output ng NT ay sinusunod sa pinakamababang posibleng kasalukuyang arc na kinakailangan para sa matatag na pagkasunog nito. Ang mahusay na paglamig ng mga dingding ng silid at mga electrodes ay mahalaga din upang maiwasan ang pag-crack ng anode at ang pare-parehong pagsingaw nito, na nakakaapekto sa nilalaman

NT sa deposito ng katod.

Ang paggamit ng isang awtomatikong aparato para sa pagpapanatili ng distansya ng interelectrode sa isang nakapirming antas ay nagpapataas ng katatagan ng mga parameter ng arc discharge at nagpapayaman sa materyal ng cathode na may mga nanotubes.

deposito.

3.2 Laser sputtering

Noong 1995, lumitaw ang isang ulat sa synthesis ng carbon nanotubes sa pamamagitan ng pag-sputter ng isang graphite target sa ilalim ng impluwensya ng pulsed laser radiation sa isang inert (He o Ar) na kapaligiran ng gas. Ang graphite target ay nasa isang quartz tube sa temperatura na 1200 tungkol sa C, kung saan dumadaloy ang buffer gas.

Ang isang laser beam na nakatutok sa pamamagitan ng isang sistema ng lens ay nag-scan sa ibabaw

graphite target upang matiyak ang pare-parehong pagsingaw ng target na materyal.

Ang singaw na nagreresulta mula sa laser evaporation ay pumapasok sa stream

hindi gumagalaw na gas at dinadala mula sa rehiyong may mataas na temperatura patungo sa rehiyong mababa ang temperatura, kung saan ito idineposito sa isang substrate na tanso na pinalamig ng tubig.

Ang soot na naglalaman ng NT ay kinokolekta mula sa tansong substrate, ang mga dingding ng quartz tube, at ang reverse side ng target. Pati na rin sa paraan ng arko, lumalabas ito

ilang uri ng pangwakas na materyal:

1) sa mga eksperimento kung saan ginamit ang purong grapayt bilang target, nakuha ang mga MWNT, na may haba na hanggang 300 nm at binubuo ng 4–24 graphene cylinders. Ang istraktura at konsentrasyon ng naturang mga NT sa panimulang materyal ay pangunahing tinutukoy ng temperatura. Sa 1200 tungkol sa Sa lahat ng naobserbahang NT ay hindi naglalaman ng mga depekto at may mga takip sa mga dulo. Kapag ang temperatura ng synthesis ay ibinaba sa 900 tungkol sa C, ang mga depekto ay lumitaw sa NT, ang bilang nito ay tumaas na may karagdagang pagbaba sa temperatura, at sa 200 tungkol sa Walang nabuong NT ang naobserbahan.

2) kapag ang isang maliit na halaga ng mga transition metal ay idinagdag sa target, ang mga SWCNT ay sinusunod sa mga produkto ng condensation. Gayunpaman, sa panahon ng pagsingaw, ang target ay naging enriched sa metal, at ang SWNT yield ay bumaba.

Upang malutas ang problemang ito, nagsimula silang gumamit ng dalawang sabay-sabay na irradiated na mga target, ang isa ay purong grapayt, at ang isa ay binubuo ng mga metal na haluang metal.

Ang porsyento ng ani ng NT ay lubhang nag-iiba depende sa katalista. Halimbawa, ang isang mataas na ani ng NT ay nakuha sa Ni, Co catalysts, mixtures ng Ni at Co sa iba pang mga elemento. Ang nakuha na mga SWCNT ay may parehong diameter at pinagsama sa mga beam na may diameter na 5-20 nm. Ang Ni/Pt at Co/Pt mixtures ay nagbibigay ng mataas na NT yield, habang ang purong platinum ay nagreresulta sa mababang SWNT yield. Ang pinaghalong Co/Cu ay nagbibigay ng mababang ani ng mga SWNT, at ang paggamit ng purong tanso ay hindi humahantong sa pagbuo ng mga SWNT. Ang mga spherical cap ay naobserbahan sa mga dulo ng SWNT na walang mga partikulo ng katalista.

Bilang isang pagkakaiba-iba, ang isang paraan ay naging laganap, kung saan sa halip na pulsed laser radiation, nakatutok na solar radiation ang ginamit. Ang pamamaraang ito ay ginamit upang makakuha ng fullerenes, at pagkatapos

mga pagpapabuti upang makakuha ng NT. Ang liwanag ng araw, na bumabagsak sa isang patag na salamin at naaaninag, ay bumubuo ng isang plane-parallel beam incident sa isang parabolic mirror. Sa focus ng salamin ay isang graphite boat na puno ng pinaghalong grapayt at metal powder. Ang bangka ay nasa loob ng isang graphite tube, na gumaganap bilang isang heat shield. Ang buong sistema ay inilalagay sa isang silid na puno ng isang hindi gumagalaw na gas.

Ang iba't ibang mga metal at ang kanilang mga mixtures ay kinuha bilang mga catalyst. Ang iba't ibang mga istraktura ay nakuha depende sa napiling katalista at inert gas pressure. Gamit ang isang nickel-cobalt catalyst sa mababang buffer gas pressure, ang na-synthesize na sample ay pangunahing binubuo ng mga MWNT na parang kawayan. Sa pagtaas ng presyon, lumitaw ang mga SWNT na may diameter na 1-2 nm at nagsimulang mangibabaw; Ang mga SWNT ay pinagsama sa mga beam na may diameter na hanggang 20 nm na may ibabaw na walang amorphous carbon.

3.3 Catalytic decomposition ng hydrocarbons

Ang isang malawakang ginagamit na paraan para sa paggawa ng NT ay batay sa paggamit ng agnas ng acetylene sa pagkakaroon ng mga catalyst. Ang mga particle ng Ni, Co, Cu, at Fe na mga metal na ilang nanometer ang laki ay ginamit bilang mga katalista. Ang isang ceramic boat na may 20–50 mg ng catalyst ay inilalagay sa isang quartz tube na 60 cm ang haba at 4 mm ang panloob na diameter. Ang pinaghalong acetylene C2H2 (2.5-10%) at nitrogen ay ibinobomba sa tubo sa loob ng ilang oras sa temperatura na 500-1100 tungkol sa C. Pagkatapos ang sistema ay pinalamig sa temperatura ng silid. Apat na uri ng mga istruktura ang naobserbahan sa eksperimento sa isang cobalt catalyst:

1) amorphous carbon layer sa mga partikulo ng katalista;

2) mga partikulo ng metal catalyst na naka-encapsulated ng mga layer ng graphene;

3) mga thread na nabuo sa pamamagitan ng amorphous carbon;

4) MSNT.

Ang pinakamaliit na halaga ng panloob na diameter ng mga MWNT na ito ay 10 nm. Ang panlabas na diameter ng NT na libre mula sa amorphous carbon ay nasa hanay na 25-30 nm, at para sa NT na pinahiran ng amorphous carbon, hanggang sa 130 nm. Ang haba ng NT ay tinutukoy ng oras ng reaksyon at nag-iba mula 100 nm hanggang 10 µm.

Ang ani at istraktura ng NT ay depende sa uri ng katalista - ang pagpapalit ng Co sa Fe ay nagbibigay ng mas mababang konsentrasyon ng NT at ang bilang ng walang depektong NT ay bumababa. Kapag ginamit ang isang nickel catalyst, karamihan sa mga filament ay may amorphous na istraktura; kung minsan ang mga NT na may graphitized, walang depektong istraktura ay nakatagpo. Ang mga thread na may hindi regular na hugis at isang amorphous na istraktura ay nabuo sa isang tansong katalista. Ang mga particle ng metal na naka-encapsulated sa mga layer ng graphene ay sinusunod sa sample. Ang mga natanggap na NT at mga thread ay may iba't ibang anyo - direkta; hubog, na binubuo ng mga tuwid na seksyon; zigzag; pilipit. Sa ilang mga kaso, ang helix pitch ay may pseudo-constant na halaga.

Sa kasalukuyan, ito ay naging kinakailangan upang makakuha ng isang hanay ng mga oriented NT, na kung saan ay dictated sa pamamagitan ng paggamit ng naturang mga istraktura bilang emitters. Mayroong dalawang paraan upang makakuha ng mga arrays ng mga oriented na NT: ang oryentasyon ng mga nasa hustong gulang na NT at ang paglago ng mga oriented na NT gamit ang mga catalytic na pamamaraan.

Iminungkahi na gumamit ng porous na silikon, na ang mga pores ay puno ng iron nanoparticle, bilang substrate para sa paglago ng NT. Ang substrate ay inilagay sa isang buffer gas at acetylene medium sa temperatura na 700 tungkol sa C, kung saan iron catalyzed ang proseso ng thermal decomposition ng acetylene. Bilang isang resulta, sa mga lugar ng ilang mm 2 , patayo sa substrate, nabuo ang mga multilayer na NT.

Ang isang katulad na paraan ay ang paggamit ng anodized aluminum bilang substrate. Ang mga pores ng anodized aluminum ay puno ng kobalt. Ang substrate ay inilalagay sa isang dumadaloy na halo ng acetylene at nitrogen sa temperatura na 800 tungkol sa C. Ang mga nagresultang oriented na NT ay may average na diameter na 50.0±0.7 nm na may distansya sa pagitan ng mga tubo na 104.2±2.3 nm. Ang average na density ay tinutukoy sa antas ng 1.1x1010 NT/cm 2 . Ang TEM ng mga nanotubes ay nagsiwalat ng isang mahusay na graphitized na istraktura na may distansya sa pagitan ng mga layer ng graphene na 0.34 nm. Iniulat na sa pamamagitan ng pagbabago ng mga parameter at oras ng pagproseso ng substrate ng aluminyo, posible na baguhin ang parehong diameter ng NT at ang distansya sa pagitan ng mga ito.

Ang pamamaraan ay nagpapatuloy sa mas mababang temperatura (sa ibaba 666 tungkol sa C) ay inilarawan din sa mga artikulo. Ang mababang temperatura sa panahon ng synthesis ay ginagawang posible na gumamit ng salamin na may nakadeposito na nickel film bilang substrate. Ang nickel film ay nagsilbing catalyst para sa paglago ng NT sa pamamagitan ng hot-filament activated plasma vapor deposition. Ginamit ang acetylene bilang mapagkukunan ng carbon. Sa pamamagitan ng pagbabago ng mga pang-eksperimentong kondisyon, posibleng baguhin ang diameter ng mga tubo mula 20 hanggang 400 nm at ang haba nito sa hanay na 0.1-50 µm. Ang malalaking diameter (>100 nm) na nakuhang MWNT ay tuwid at ang kanilang mga axes ay mahigpit na nakadirekta patayo sa substrate. Ang naobserbahang density ng NT ayon sa pag-scan ng electron microscopy ay 107 NT/mm 2 . Kapag ang NT diameter ay naging mas mababa sa 100 nm, ang ginustong oryentasyong patayo sa substrate plane ay mawawala. Ang mga naka-orient na MWNT array ay maaaring gawin sa mga lugar na ilang cm 2 .

3.4 Electrolytic synthesis

Ang pangunahing ideya ng pamamaraang ito ay upang makakuha ng mga carbon NT sa pamamagitan ng pagpasa ng isang electric current sa pagitan ng mga graphite electrodes sa isang tinunaw na ionic na asin. Ang graphite cathode ay natupok sa panahon ng reaksyon at nagsisilbing pinagmumulan ng mga carbon atom. Bilang isang resulta, ang isang malawak na hanay ng mga nanomaterial ay nabuo. Ang anode ay isang bangka na gawa sa high purity graphite at puno ng lithium chloride. Ang bangka ay pinainit hanggang sa natutunaw na punto ng lithium chloride (604 tungkol sa C) sa hangin o sa isang kapaligiran ng inert gas (argon). Ang cathode ay nahuhulog sa tinunaw na lithium chloride at sa loob ng isang minuto ang isang kasalukuyang ng 1-30 A ay dumaan sa pagitan ng mga electrodes. Sa panahon ng pagpasa ng kasalukuyang, ang bahagi ng katod na nahuhulog sa natutunaw ay bumababa. Susunod, ang electrolyte ay natutunaw na naglalaman ng mga particlecarbon, pinalamig sa temperatura ng silid.

Upang ihiwalay ang mga carbon particle na nagreresulta mula sa cathode erosion, ang asin ay natunaw sa tubig. Ang precipitate ay ihiwalay, natunaw sa toluene, at na-dispers sa isang ultrasonic bath. Ang mga produkto ng electrolytic synthesis ay pinag-aralan gamit ang TEM. Nabunyag na sila

binubuo ng mga naka-encapsulated na particle ng metal, mga sibuyas, at mga carbon NT ng iba't ibang morpolohiya, kabilang ang mga spiral at malakas na hubog. depende

Depende sa mga pang-eksperimentong kondisyon, ang diameter ng mga nanotubes na nabuo ng mga cylindrical graphene layer ay nag-iiba mula 2 hanggang 20 nm. Ang haba ng MWNT ay umabot sa 5 μm.

Natagpuan ang pinakamainam na kasalukuyang kondisyon - 3-5 A. Sa isang mataas na kasalukuyang halaga (10-30 A), ang mga naka-encapsulated na particle at amorphous na carbon lamang ang nabuo. Sa

mababang kasalukuyang halaga (<1А) образуется только аморфный углерод.

3.5 Paraan ng condensation

Sa paraan ng quasi-free vapor condensation, ang carbon vapor ay nabuo bilang isang resulta ng resistive heating ng isang graphite ribbon at condenses sa isang substrate ng mataas na ordered pyrolytic graphite, cooled sa isang temperatura ng 30 tungkol sa C sa vacuum 10-8 Torr. Ang mga pag-aaral ng TEM ng mga nakuhang pelikula na may kapal na 2-6 nm ay nagpapakita na naglalaman ang mga ito ng carbon nanotubes na may diameter na 1-7 nm at haba na hanggang 200 nm, na karamihan ay nagtatapos sa mga spherical na dulo. Ang nilalaman ng NT sa sediment ay lumampas sa 50%. Para sa mga multilayer na NT, ang distansya sa pagitan ng mga layer ng graphene na bumubuo sa kanila ay 0.34 nm. Ang mga tubo ay matatagpuan sa substrate halos pahalang.

3.6 Paraan ng pagkasira ng istruktura

Ang pamamaraang ito ay binuo ng mga mananaliksik sa IBM lab. Gaya noon

sinabi kanina, ang mga nanotubes ay may parehong metal at

mga katangian ng semiconductor. Gayunpaman, para sa paggawa ng isang bilang ng mga aparato batay sa kanila, sa partikular, mga transistor at, higit pa, mga processor na gumagamit ng mga ito, kailangan lamang ng mga semiconductor nanotubes. Ang mga siyentipiko sa IBM ay bumuo ng isang paraan na tinatawag na "nakabubuo na pagkasira" na nagpapahintulot sa kanila na sirain ang lahat ng mga metal na nanotube habang iniiwan ang mga semiconductor nanotubes na buo. Ibig sabihin, sunud-sunod nilang sinisira ang isang shell sa isang multi-walled nanotube, o piling sirain ang metal na single-walled nanotube.

Narito kung paano maikling inilalarawan ang prosesong ito:

1. Ang malagkit na "mga lubid" ng metal at semiconductor tubes ay inilalagay sa isang silicon oxide substrate.

2. Pagkatapos ay ipapakita ang isang lithographic mask sa substrate upang mabuo

mga electrodes (metal spacer) sa ibabaw ng nanotubes. Ang mga electrodes na ito

gumana bilang mga switch para i-on/i-off

semiconductor nanotubes.

3. Gamit ang silicon substrate mismo bilang isang elektrod, ang mga siyentipiko ay "pinatay"

semiconductor nanotubes na humaharang lamang sa pagdaan ng anumang kasalukuyang sa pamamagitan ng mga ito.

4. Ang mga metal na nanotube ay iniwang walang proteksyon. Pagkatapos nito, ang isang angkop na boltahe ay inilapat sa substrate, na sumisira sa mga metal nanotubes, habang ang mga semiconductor nanotubes ay nananatiling insulated. Ang resulta ay isang siksik na hanay ng buo, naisasagawa na semiconductor nanotubes - mga transistor na maaaring magamit upang lumikha ng mga logic circuit - iyon ay, mga processor. Ngayon tingnan natin ang mga prosesong ito nang mas detalyado. Ang iba't ibang MWNT shell ay maaaring may iba't ibang katangian ng kuryente. Bilang isang resulta, ang elektronikong istraktura at mga mekanismo ng paglipat ng elektron sa mga MWNT ay naiiba. Ang pagiging kumplikado ng istruktura ay nagbibigay-daan lamang sa isang MWNT shell na mapili at magamit: ang isa na may mga gustong katangian. Ang pagkasira ng multi-walled nanotubes ay nangyayari sa hangin sa isang tiyak na antas ng kapangyarihan, sa pamamagitan ng isang mabilis

oksihenasyon ng mga panlabas na shell ng carbon. Sa panahon ng pagkasira, ang kasalukuyang dumadaloy sa MWNT ay nagbabago sa mga hakbang, at ang mga hakbang na ito ay nag-tutugma sa pagkasira ng isang indibidwal na shell na may nakakagulat na regularidad. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa proseso ng pag-alis ng kaluban nang paisa-isa, posible na lumikha ng mga tubo na may nais na mga katangian ng panlabas na kaluban, metal o semiconductor. Sa pamamagitan ng pagpili ng diameter ng panlabas na shell, maaaring makuha ng isa ang nais na puwang ng banda.

Kung ang "mga lubid" na may single-walled nanotubes ay ginagamit upang lumikha ng isang field-effect transistor, kung gayon ang mga metal na tubo ay hindi maiiwan sa kanila, dahil sila ang mangibabaw at matukoy ang mga katangian ng transportasyon ng aparato, i.e. hindi magkakaroon ng field effect. Ang problemang ito ay nalulutas din sa pamamagitan ng piling pagkasira. Hindi tulad ng mga MWNT, sa isang manipis na "lubid", ang bawat SWNT ay maaaring konektado nang hiwalay sa mga panlabas na electrodes. Kaya, ang isang "lubid" na may mga MWNT ay maaaring katawanin bilang mga independiyenteng parallel conductor na may kabuuang kabuuang conductivity na kinakalkula ng formula:

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

kung saan ang Gm ay ginawa ng metal nanotubes at ang Gs ay ang gate na umaasa sa conductivity ng semiconductor nanotubes.

Bilang karagdagan, maraming mga SWNT sa "lubid" ang nakalantad sa hangin, isang potensyal na kapaligirang nag-oxidizing, kaya maraming mga tubo ang maaaring sirain nang sabay-sabay, sa kaibahan sa kaso ng mga MWNT. At, sa wakas, ang mga single-walled nanotubes sa isang maliit na "lubid" ay hindi electrostatically nagpoprotekta sa isa't isa nang kasing epektibo ng mga concentric shell ng MWNTs. Bilang resulta, ang gate electrode ay maaaring gamitin upang epektibong mabawasan ang mga electric current carrier (mga electron o

butas) sa semiconductor SWNTs sa "lubid". Ginagawa nitong mga insulator ang mga semiconductor tubes. Sa kasong ito, ang oksihenasyon na dulot ng kasalukuyang ay maaari lamang idirekta sa mga metal na SWNT sa "lubid".

Ang paggawa ng mga arrays ng semiconductor nanotubes ay isinasagawa

simple: sa pamamagitan ng paglalagay ng SWNT na "mga lubid" sa isang oxidized na silicon na substrate,

At pagkatapos ay isang hanay ng kasalukuyang pinagmulan, grounding at insulated electrodes ay inilalagay lithographically sa tuktok ng "mga lubid". Ang konsentrasyon ng mga tubo ay paunang napili upang sa karaniwan ay isang "lubid" lamang ang nagsasara sa pinagmulan at sa lupa. Sa kasong ito, walang espesyal na oryentasyon ng nanotubes ang kinakailangan. Ang ilalim na gate (ang silicon substrate mismo) ay ginagamit upang patayin ang mga semiconductor tubes, at pagkatapos ay ang labis na boltahe ay inilapat upang sirain ang mga metal na tubo sa "lubid", na lumilikha ng FET. Sa pamamagitan ng paglalapat ng teknolohiyang ito ng pumipili ng pagkawasak, ang laki ng isang carbon nanotube ay maaaring kontrolin, na nagpapahintulot sa pagtatayo ng mga nanotubes na may mga pre-set na electrical properties na nakakatugon sa mga kinakailangang katangian ng mga electronic device. Ang mga nanotube ay maaaring gamitin bilang mga nanosized na wire o bilang mga aktibong bahagi sa mga elektronikong device, tulad ng mga field-effect transistors. Malinaw na, hindi tulad ng mga semiconductor na nakabatay sa silicon, na nangangailangan ng paglikha ng mga konduktor na nakabatay sa aluminyo o tanso upang ikonekta ang mga elemento ng semiconductor sa loob ng isang kristal, ang teknolohiyang ito ay maaaring ibigay sa carbon lamang.

Ngayon, sinusubukan ng mga tagagawa ng processor na bawasan ang haba ng mga channel sa mga transistor upang mapataas ang dalas. Ginagawang posible ng teknolohiyang iminungkahi ng IBM na matagumpay na malutas ang problemang ito sa pamamagitan ng paggamit ng carbon nanotubes bilang mga channel sa transistors.

4. Praktikal na paggamit ng carbon nanotubes

4.1 Field emission at shielding

Kapag ang isang maliit na electric field ay inilapat sa kahabaan ng nanotube axis, ang napakatindi na paglabas ng elektron ay nangyayari mula sa mga dulo nito. Ang ganitong mga phenomena ay tinatawag na field emission. Ang epektong ito ay madaling maobserbahan sa pamamagitan ng paglalagay ng maliit na boltahe sa pagitan ng dalawang parallel na metal electrodes, ang isa ay pinahiran ng composite nanotube paste. Ang isang sapat na bilang ng mga tubo ay magiging patayo sa elektrod, na nagpapahintulot sa iyo na obserbahan ang paglabas ng field. Ang isang aplikasyon ng epektong ito ay upang mapabuti ang mga flat panel display. Gumagamit ang mga monitor ng telebisyon at computer ng isang kinokontrol na baril ng elektron upang i-irradiate ang isang fluorescent screen na naglalabas ng liwanag sa nais na mga kulay. Ang Koreanong korporasyon na Samsung ay gumagawa ng flat-panel display gamit ang electron emission ng carbon nanotubes. Ang isang manipis na pelikula ng nanotubes ay inilalagay sa control electronics layer at nilagyan ng glass plate na pinahiran ng isang phosphor layer. Ginagamit ng isang Japanese company ang epekto ng electron emission sa mga vacuum lamp na kasingliwanag ng mga conventional incandescent lamp, ngunit mas mahusay at mas tumatagal. Ginagamit ng ibang mga mananaliksik ang epekto upang bumuo ng mga bagong paraan upang makabuo ng radiation ng microwave.

Ang mataas na electrical conductivity ng carbon nanotubes ay nangangahulugan na hindi sila magpapadala ng mga electromagnetic wave nang maayos. Ang pinagsama-samang plastik na may mga nanotube ay maaaring isang magaan na materyal na sumasangga sa electromagnetic radiation. Ito ay isang napakahalagang isyu para sa militar, na bumubuo ng mga ideya ng digital na representasyon ng larangan ng digmaan sa command, control at mga sistema ng komunikasyon. Ang mga computer at electronic device na bahagi ng naturang sistema ay dapat na protektahan mula sa mga armas na bumubuo ng mga electromagnetic pulse.

4.2 Mga cell ng gasolina

Ang carbon nanotubes ay maaaring gamitin sa paggawa ng mga baterya.

Ang Lithium, na siyang carrier ng singil sa ilang mga baterya, ay maaaring ilagay

sa loob ng nanotubes. Tinatayang isang atom ng lithium ang maaaring ilagay sa tubo para sa bawat anim na carbon atoms. Ang isa pang posibleng paggamit ng nanotubes ay ang pag-iimbak ng hydrogen sa mga ito, na maaaring magamit sa disenyo ng mga fuel cell bilang mga mapagkukunan ng elektrikal na enerhiya sa hinaharap na mga kotse. Ang fuel cell ay binubuo ng dalawang electrodes at isang espesyal na electrolyte na nagpapahintulot sa mga hydrogen ions na dumaan sa pagitan nila, ngunit hindi mga electron. Ang hydrogen ay ipinadala sa anode kung saan ito ay ionized. Ang mga libreng electron ay lumipat sa katod sa kahabaan ng panlabas na circuit, at ang mga hydrogen ions ay nagkakalat sa katod sa pamamagitan ng electrolyte, kung saan ang mga molekula ng tubig ay nabuo mula sa mga ion, electron at oxygen na ito. Ang ganitong sistema ay nangangailangan ng pinagmumulan ng hydrogen. Ang isang posibilidad ay mag-imbak ng hydrogen sa loob ng carbon nanotubes. Tinataya na upang maging mabisa sa kapasidad na ito, ang tubo ay dapat sumipsip ng 6.5% hydrogen sa timbang. Sa kasalukuyan, 4% lamang sa bigat ng hydrogen ang nakapasok sa tubo.
Ang isang eleganteng paraan para sa pagpuno ng carbon nanotubes na may hydrogen ay ang paggamit ng electrochemical cell para dito. Ang single-walled nanotubes sa anyo ng isang sheet ng papel ay bumubuo ng negatibong elektrod sa isang solusyon ng KOH, na isang electrolyte. Ang iba pang elektrod ay binubuo ng Ni(OH) 2 . Ang electrolyte na tubig ay nabubulok upang bumuo ng mga positibong hydrogen ions (H+ ) na lumilipat patungo sa negatibong elektrod na gawa sa nanotubes. Ang pagkakaroon ng hydrogen na nakagapos sa mga tubo ay natutukoy mula sa pagbaba sa intensity ng scattering ng Raman.

4.3. Mga katalista

Ang katalista ay isang sangkap, kadalasang isang metal o haluang metal, na nagpapataas ng bilis ng isang kemikal na reaksyon. Para sa ilang mga reaksiyong kemikal, ang mga carbon nanotubes ay mga katalista. Halimbawa, ang multilayer nanotubes na may externally bonded ruthenium atoms ay may malakas na catalytic effect sa hydrogenation reaction ng cinnamic aldehyde (C 6 H 5 CH=CHCHO) sa likidong bahagi kumpara sa epekto ng parehong ruthenium sa iba pang mga substrate ng carbon. Ang mga reaksiyong kemikal ay isinagawa din sa loob ng carbon nanotubes, halimbawa, ang pagbawas ng nickel oxide NiO sa metallic nickel at A l С1 3 sa aluminyo. Ang daloy ng hydrogen gas H 2 sa 475°C bahagyang binabawasan ang Mo O 3 hanggang Mo O 2 na may kasabay na pagbuo ng singaw ng tubig sa loob ng multilayer nanotubes. Ang mga kristal na Cadmium sulfide CdS ay nabuo sa loob ng nanotubes sa pamamagitan ng reaksyon ng crystalline cadmium oxide CdO na may hydrogen sulfide (H 2 S) sa 400°С.

4.4 Mga sensor ng kemikal

Ito ay itinatag na ang isang field-effect transistor na ginawa sa isang semiconducting chiral nanotube ay isang sensitibong detektor ng iba't ibang mga gas. Ang field-effect transistor ay inilagay sa isang sisidlan na may kapasidad na 500 ML na may mga power supply lead at dalawang balbula para sa inlet at outlet ng gas na naghuhugas ng transistor. Daloy ng gas na naglalaman ng 2 hanggang 200 ppm N O2 , sa rate na 700 ml/min sa loob ng 10 minuto ay humantong sa tatlong beses na pagtaas sa conductivity ng nanotube. Ang epektong ito ay dahil sa katotohanan na kapag nagbubuklod sa N O2 sa isang nanotube, ang singil ay inililipat mula sa nanotube patungo sa pangkat N O2 , pagtaas ng konsentrasyon ng mga butas sa nanotube at ang conductivity nito.

4.5 Quantum wires

Ang teoretikal at pang-eksperimentong pag-aaral ng mga electrical at magnetic na katangian ng nanotubes ay nagsiwalat ng ilang mga epekto na nagpapahiwatig ng quantum na katangian ng paglilipat ng singil sa mga molecular wire na ito at maaaring magamit sa mga elektronikong aparato.

Ang conductivity ng isang ordinaryong wire ay inversely proportional sa haba nito at direktang proporsyonal sa cross section, habang sa kaso ng isang nanotube hindi ito nakadepende sa haba o kapal nito at katumbas ng conductivity quantum (12.9 kΩ-1 ) - ang paglilimita ng halaga ng kondaktibiti, na tumutugma sa libreng paglipat ng mga delocalized na electron kasama ang buong haba ng konduktor.

Sa ordinaryong temperatura, ang naobserbahang halaga ng kasalukuyang density (107 A(cm–2)) ay dalawang order ng magnitude na mas mataas kaysa sa kasalukuyang nakamit na kasalukuyang density ng

superconductor.

Ang isang nanotube na nakikipag-ugnayan sa dalawang superconducting electrodes sa mga temperatura na humigit-kumulang 1 K ay nagiging isang superconductor. Ang epektong ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga pares ng elektron ng Cooper ay nabuo

sa mga superconducting electrodes, huwag mabulok kapag dumadaan

nanotube.

Sa mababang temperatura, ang isang sunud-sunod na pagtaas sa kasalukuyang (conductivity quantization) ay na-obserbahan sa mga metal nanotube na may pagtaas sa bias na boltahe V na inilapat sa nanotube: ang bawat pagtalon ay tumutugma sa hitsura ng susunod na delocalized na antas ng nanotube sa pagitan ng pagitan. ang mga antas ng Fermi ng katod at anode.

Ang mga nanotubes ay may binibigkas na magnetoresistance: ang electrical conductivity ay lubos na nakasalalay sa magnetic field induction. Kung ang isang panlabas na patlang ay inilapat sa direksyon ng nanotube axis, ang mga kapansin-pansing oscillations sa electrical conductivity ay sinusunod; kung ang field ay inilapat patayo sa NT axis, pagkatapos ay ang pagtaas nito ay sinusunod.

4.6 LEDs

Ang isa pang aplikasyon ng MWNTs ay ang paggawa ng mga LED batay sa mga organikong materyales. Sa kasong ito, ang sumusunod na paraan ay ginamit para sa kanilang paghahanda: Ang NT powder ay halo-halong may mga organikong elemento sa toluene at pinailaw sa ultrasound, pagkatapos ay pinahintulutan ang solusyon na tumira sa loob ng 48 oras. Depende sa paunang dami ng mga sangkap, nakuha ang iba't ibang mga mass fraction ng NT. Para sa paggawa ng mga LED, ang itaas na bahagi ng solusyon ay inalis at idineposito sa isang glass substrate sa pamamagitan ng centrifugation, pagkatapos kung saan ang mga electrodes ng aluminyo ay na-spray sa mga polymer layer. Ang mga nagresultang aparato ay pinag-aralan ng electroluminescence, na nagsiwalat ng peak ng kanilang radiation sa infrared na rehiyon ng spectrum (600-700 nm).

KONGKLUSYON

Sa kasalukuyan, ang mga carbon nanotubes ay nakakaakit ng maraming pansin dahil sa posibilidad ng paggawa ng mga aparato na may sukat na nanometer batay sa mga ito. Sa kabila ng maraming pag-aaral sa lugar na ito, ang isyu ng mass production ng naturang mga aparato ay nananatiling bukas, dahil sa imposibilidad ng tumpak na kontrol sa paggawa ng mga nanotubes na may nais na mga parameter at katangian.

Gayunpaman, sa malapit na hinaharap, dapat asahan ng isa ang mabilis na pag-unlad sa lugar na ito dahil sa posibilidad ng paggawa ng mga microprocessor at chips batay sa nanotransistors at, bilang isang resulta, mga pamumuhunan sa lugar na ito ng mga korporasyon na nagdadalubhasa sa teknolohiya ng computer.

BIBLIOGRAPIYA

1. Carbon nanotubes. Mga materyales para sa mga computer ng XXI century, P.N. Dyachkov. Priroda No. 11, 2000
2. Rakov E.G. Mga pamamaraan para sa pagkuha ng carbon nanotubes // Mga Pagsulong sa Chemistry. -2000. - T. 69. - Hindi. 1. - S. 41-59.
3. Rakov E.G. Chemistry at application ng carbon nanotubes // Mga Pagsulong sa Chemistry. -2001. - T. 70. - Hindi. 11. - S. 934-973.
4. Eletsky A.V. // Pisikal na tagumpay. Mga agham. 1997. V. 167, Blg. 9. S. 945-972.
5. Zolotukhin I.V. Carbon nanotubes. Voronezh State Technical Institute.
6. http://skybox.org.ua/

Pahina 15

Iba pang kaugnay na mga gawa na maaaring interesado ka.vshm>
.			732KB

At iba pang katulad na istruktura na maaaring tawagin ng pangkalahatang termino mga istruktura ng carbon frame. Ano ito?

Ang mga istruktura ng carbon frame ay malalaki (at kung minsan ay napakalaki!) na mga molekula na binubuo lamang ng mga carbon atom. Masasabi pa nga na ang mga istruktura ng carbon framework ay isang bagong allotropic form ng carbon (bilang karagdagan sa mga matagal nang kilala: brilyante at grapayt). Ang pangunahing tampok ng mga molekula na ito ay ang kanilang skeletal form: mukhang sarado, walang laman sa loob ng "shell". Ang pinakatanyag sa mga istruktura ng carbon frame ay ang C 60 fullerene, ang ganap na hindi inaasahang pagtuklas kung saan noong 1985 ay nagdulot ng pag-unlad sa pananaliksik sa lugar na ito (ang Nobel Prize sa Chemistry para sa 1996 ay iginawad nang tumpak sa mga natuklasan ng fullerenes Robert Curl, Harold. Kroto at Richard Smalley). Sa huling bahagi ng 1980s at unang bahagi ng 1990s, matapos ang pamamaraan para sa pagkuha ng fullerenes sa mga macroscopic na dami, marami pang iba, parehong mas magaan at mas mabibigat na fullerenes ang natuklasan: simula sa C 20 (ang pinakamaliit na posible ng fullerenes) at hanggang C 70 , C 82 , C 96 , at mas mataas.

Gayunpaman, ang pagkakaiba-iba ng mga istruktura ng carbon framework ay hindi nagtatapos doon. Noong 1991, muli sa hindi inaasahang pagkakataon, natuklasan ang mahaba, cylindrical na carbon formations, na tinatawag na nanotubes. Biswal, ang istraktura ng naturang mga nanotubes ay maaaring maisip tulad ng sumusunod: kumuha kami ng isang graphite plane, gupitin ang isang strip mula dito at "idikit" ito sa isang silindro (isang salita ng pag-iingat: ang pagtitiklop na ito ng graphite plane ay isang paraan lamang upang isipin ang istraktura ng isang nanotube; sa katotohanan, ang mga nanotube ay lumalaki nang iba). Mukhang mas simple ito - kumuha ka ng isang graphite plane at gagawin itong isang silindro! - gayunpaman, bago ang pang-eksperimentong pagtuklas ng mga nanotubes, wala sa mga theorist ang hinulaan ang mga ito! Kaya ang mga siyentipiko ay maaari lamang pag-aralan ang mga ito - at mabigla!

At nagkaroon ng maraming mga sorpresa. Una, ang iba't ibang mga hugis: ang mga nanotubes ay maaaring malaki at maliit, single-layer at multi-layer, tuwid at spiral. Pangalawa, sa kabila ng maliwanag na hina at kahit na delicacy, ang mga nanotubes ay naging isang napakalakas na materyal, kapwa sa pag-igting at sa baluktot. Bukod dito, sa ilalim ng pagkilos ng mga mekanikal na stress na lumalampas sa mga kritikal, ang mga nanotubes ay kumikilos din nang labis: hindi sila "napunit" o "nasira", ngunit muling ayusin! Dagdag pa, ang mga nanotubes ay nagpapakita ng isang buong spectrum ng mga pinaka-hindi inaasahang mga katangian ng elektrikal, magnetic, at optical. Halimbawa, depende sa tiyak na pamamaraan ng pagtitiklop ng eroplanong grapayt, ang mga nanotubes ay maaaring parehong conductor at semiconductors! Maaari bang ipagmalaki ng anumang iba pang materyal na may ganoong simpleng komposisyon ng kemikal ang hindi bababa sa ilan sa mga katangian na tinataglay ng mga nanotube?!

Sa wakas, ang iba't ibang mga aplikasyon na nagawa na para sa mga nanotubes ay kapansin-pansin. Ang unang bagay na nagmumungkahi sa sarili nito ay ang paggamit ng mga nanotubes bilang napakalakas na microscopic rods at thread. Tulad ng ipinapakita ng mga resulta ng mga eksperimento at numerical simulation, ang modulus ng Young ng isang single-layer nanotube ay umabot sa mga halaga ng pagkakasunud-sunod ng 1-5 TPa, na isang order ng magnitude na mas malaki kaysa sa bakal! Totoo, sa kasalukuyan, ang maximum na haba ng nanotubes ay sampu at daan-daang microns - na, siyempre, ay napakalaki sa atomic scale, ngunit masyadong maliit para sa pang-araw-araw na paggamit. Gayunpaman, ang haba ng mga nanotubes na nakuha sa laboratoryo ay unti-unting tumataas - ngayon ang mga siyentipiko ay malapit na sa limitasyon ng milimetro: tingnan ang [Z. Pan et al, 1998], na naglalarawan sa synthesis ng isang multilayer nanotube na 2 mm ang haba. Samakatuwid, mayroong lahat ng dahilan upang umasa na sa malapit na hinaharap, matututunan ng mga siyentipiko kung paano palaguin ang mga nanotubes na sentimetro at kahit metro ang haba! Siyempre, ito ay lubos na makakaapekto sa mga teknolohiya sa hinaharap: pagkatapos ng lahat, ang isang "cable" na kasing kapal ng buhok ng tao, na may kakayahang humawak ng daan-daang kilo, ay makakahanap ng hindi mabilang na mga aplikasyon.

Ang isa pang halimbawa, kapag ang isang nanotube ay bahagi ng isang pisikal na aparato, ay kapag ito ay "naka-mount" sa dulo ng isang scanning tunneling o atomic force microscope. Karaniwan ang gayong punto ay isang matalas na matalas na karayom ​​ng tungsten, ngunit sa pamamagitan ng mga pamantayan ng atomic ang gayong hasa ay medyo magaspang pa rin. Ang isang nanotube, sa kabilang banda, ay isang perpektong karayom ​​na may diameter ng pagkakasunud-sunod ng ilang mga atomo. Sa pamamagitan ng paglalapat ng isang tiyak na boltahe, posible na kunin ang mga atomo at buong molekula na matatagpuan sa substrate nang direkta sa ilalim ng karayom, at ilipat ang mga ito mula sa isang lugar patungo sa isang lugar.

Ang hindi pangkaraniwang mga katangian ng elektrikal ng nanotubes ay gagawin silang isa sa mga pangunahing materyales ng nanoelectronics. Nagawa na ang mga prototype ng field-effect transistors batay sa isang nanotube: sa pamamagitan ng paglalapat ng blocking boltahe ng ilang volts, natutunan ng mga siyentipiko na baguhin ang conductivity ng single-layer nanotube ng 5 orders of magnitude!

Ang isa pang aplikasyon sa nanoelectronics ay ang paglikha ng mga semiconductor heterostructure, i.e. metal/semiconductor structures o ang junction ng dalawang magkaibang semiconductors. Ngayon, para sa paggawa ng naturang heterostructure, hindi na kailangang palaguin ang dalawang materyales nang hiwalay at pagkatapos ay "hinangin" ang mga ito nang magkasama. Ang kailangan lang ay lumikha ng isang depekto sa istruktura sa nanotube sa panahon ng paglaki nito (ibig sabihin, upang palitan ang isa sa mga carbon hexagons ng isang pentagon). Pagkatapos ang isang bahagi ng nanotube ay magiging metal, at ang iba pang bahagi ay magiging semiconductor!

Ang ilang mga aplikasyon ng nanotubes sa industriya ng kompyuter ay binuo na. Halimbawa, ang mga prototype ng manipis na flat display batay sa isang nanotube matrix ay ginawa at nasubok. Sa ilalim ng pagkilos ng isang boltahe na inilapat sa isang dulo ng nanotube, ang mga electron ay nagsisimulang ilabas mula sa kabilang dulo, na nahuhulog sa phosphorescent screen at nagiging sanhi ng pagkinang ng pixel. Ang magreresultang butil ng imahe ay magiging napakaliit: sa pagkakasunud-sunod ng isang micron!

Gamit ang parehong atomic microscope, posibleng mag-record at magbasa ng impormasyon mula sa isang matrix na binubuo ng mga titanium atoms na nakahiga sa isang -Al 2 O 3 substrate. Ang ideyang ito ay eksperimento ding natanto: ang nakamit na density ng pag-record ng impormasyon ay 250 Gbit/cm 2 . Gayunpaman, sa parehong mga halimbawang ito, ang malawakang aplikasyon ay malayo pa rin - ang mga naturang makabagong makabagong agham ay masyadong mahal. Samakatuwid, ang isa sa pinakamahalagang gawain dito ay ang pagbuo ng murang pamamaraan para sa pagpapatupad ng mga ideyang ito.

Ang mga void sa loob ng nanotubes (at carbon framework structures sa pangkalahatan) ay nakakaakit din ng atensyon ng mga siyentipiko. Sa katunayan, ano ang mangyayari kung ang isang atom ng ilang sangkap ay inilagay sa loob ng fullerene? Ipinakita ng mga eksperimento na ang intercalation (i.e. insertion) ng mga atom ng iba't ibang metal ay nagbabago sa mga electrical properties ng fullerenes at maaari pa ngang gawing superconductor ang isang insulator! Posible bang baguhin ang mga katangian ng nanotubes sa parehong paraan? Oo nga pala. Sa gawain [K. Hirahara et al, 2000], ang mga siyentipiko ay nakapaglagay ng isang buong kadena ng fullerenes na may mga gadolinium atoms na naka-embed sa kanila sa loob ng isang nanotube! Ang mga de-koryenteng katangian ng tulad ng isang hindi pangkaraniwang istraktura ay ibang-iba mula sa parehong mga katangian ng isang simple, guwang na nanotube at ang mga katangian ng isang nanotube na may mga walang laman na fullerenes sa loob. Sa lumalabas, ang valence electron, na ibinigay ng metal atom sa publiko, ay nangangahulugan ng maraming! Sa pamamagitan ng paraan, ito ay kagiliw-giliw na tandaan na ang mga espesyal na pagtatalaga ng kemikal ay binuo para sa mga naturang compound. Ang istraktura na inilarawan sa itaas ay nakasulat bilang [email protected] 60 @SWNT, na nangangahulugang "Gd sa loob ng C 60 sa loob ng iisang wall nanotube (Single Wall NanoTube)".

Posible hindi lamang na "magmaneho" ng mga atomo at molekula sa nanotubes nang paisa-isa, ngunit literal din na "ibuhos" ang bagay dito. Tulad ng ipinakita ng mga eksperimento, ang isang bukas na nanotube ay may mga katangian ng maliliit na ugat, iyon ay, kumukuha ito ng bagay sa sarili nito, gaya ng dati. Kaya, ang mga nanotubes ay maaaring gamitin bilang mga microscopic na lalagyan para sa transporting chemically o biologically active substances: mga protina, nakakalason na gas, mga bahagi ng gasolina, at kahit na natunaw na mga metal. Kapag nasa loob na ng nanotube, ang mga atom o molekula ay hindi na makakalabas: ang mga dulo ng mga nanotube ay ligtas na "naka-sealed", at ang aromatic carbon ring ay masyadong makitid para sa karamihan ng mga atomo. Sa form na ito, ang mga aktibong atom o molekula ay maaaring ligtas na maihatid. Sa sandaling nasa destinasyon, ang nanotubes ay bubukas mula sa isang dulo (at ang mga operasyon ng "paghihinang" at "unsoldering" sa mga dulo ng nanotubes ay nasa loob na ng kapangyarihan ng modernong teknolohiya) at inilalabas ang kanilang mga nilalaman sa mahigpit na tinukoy na mga dosis. Hindi ito pantasya; ang mga ganitong uri ng eksperimento ay isinasagawa na sa maraming laboratoryo sa buong mundo. At posible na sa 10-20 taon, ang teknolohiyang ito ay gagamitin upang gamutin ang mga sakit: halimbawa, ang isang pasyente ay na-injected sa dugo na may pre-prepared nanotubes na may napaka-aktibong enzymes, ang mga nanotubes na ito ay binuo sa isang tiyak na lugar sa katawan sa pamamagitan ng ilang mga mikroskopiko na mekanismo at "binuksan" sa isang tiyak na oras ng sandali. Ang modernong teknolohiya ay halos handa na para sa pagpapatupad...

Mas malakas kaysa sa radial na gulong? Ang lahat ng mga indikasyon ay ang pagdating ng TUBALL carbon nanotubes sa industriya ng gulong ay lilikha ng mas malaking teknikal na rebolusyon kaysa sa pagdating ng silikon noong dekada 90, at ihahambing sa pagtuklas ng radial na gulong pagkatapos ng digmaan. Kahit na ang isang maliit na bilang ng mga kamangha-manghang maliliit na tubo na ito na may diameter na isang nanometer (1 bilyon ng isang metro), na may mga pader na kasingnipis ng isang (!) carbon atom, ay maaaring mapabuti ang pagganap ng anumang goma. sa isang hindi kapani-paniwalang sukat. Ang kasaysayan ng imbensyon na ito, na ipinanganak sa pinakapuso ng Siberia, ay parehong engrande at orihinal.

Noong 1945, sa unang pagkakataon sa kasaysayan, ginamit ang isang bombang nuklear. Noon nalaman ng mga tao na ang bagay ay isang kamalig ng napakalaking enerhiya. Sa yugtong iyon, ang pangunahing kahirapan ay - tamang pagkuha ng enerhiya. Ito ay ang pangangailangan upang gumana sa carbon nanotubes sa atomic na antas na ginagawang pareho silang hindi pangkaraniwan sa kanilang mga katangian at mahirap i-synthesize.

Hindi para mamatay na parang tanga...

Ang pagsisimula sa pagtingin sa mga advanced na teknolohiya na may kaunting kaalaman ay isang garantiya na wala kang maiintindihan sa pag-aaral na ito, kahit na sa tingin mo ay alam mo kung ano ang carbon. Marahil higit sa 500,000 taon na ang nakalilipas, sinimulan itong gamitin ng ating mga ninuno para sa pagpainit o pagluluto sa uling. Humigit-kumulang 3 siglo na ang nakalipas, ang simula ng paggamit ng karbon (bato) at ang steam engine ay minarkahan ang simula ng panahon ng industriya. Gayunpaman, ang prehistoric period na ito sa kasaysayan ng carbon ay walang kinalaman sa modernong nanochemistry...

Sa isang malawak na kahulugan, lahat ng bagay na lumalaki at nabubuhay sa lupa ay nakasalalay sa carbon. At ang isang tao na 65% tubig, 3% nitrogen, 18% carbon at 10% hydrogen ay isang perpektong halimbawa nito. Sa likas na katangian, mayroong higit sa isang milyong mga compound mula sa isang kumbinasyon ng carbon at hydrogen, at hindi natin dapat kalimutan na pagkatapos ng karbon, ang pangunahing pinagkukunan ng enerhiya para sa atin ay hydrocarbons: sa pangkalahatan, ito ay hindi napakadaling gawin nang walang hindi mapapalitang carbon. .

Sa natural na estado nito, mayroon lamang itong dalawang mala-kristal at ibang-iba na anyo: brilyante at grapayt. Ang una ay isang prestihiyoso, napakabihirang at matigas na materyal, ang pangalawa ay mamantika sa pagpindot, isang hindi gaanong eksklusibong uri ng carbon, na mina sa halagang humigit-kumulang isa at kalahating milyong tonelada bawat taon. Ilang tao ang nakakaalam na isang brilyante sa paglipas ng panahon (napakatagal!) nasira sa graphite, na sa huli ay ang pinaka-matatag na anyo ng carbon. Kilalang-kilala namin ang itim o kulay-abo na mineral na ito, ito ay nagkakahalaga ng pag-alala, halimbawa, tinta ng Tsino o tingga ng lapis. Ngayon, bukod sa iba pang mga bagay, ang grapayt ay nakakatulong upang matiyak ang kaligtasan ng mga nuclear power plant, at nagbibigay din sa amin ng milyun-milyong electric na baterya. Siya ang hindi mapag-aalinlanganang ninuno ng lahat ng anyo ng mga istruktura mula sa mga atomo ng carbon, na kasunod na likhain ng tao.

Mula sa micrometer...

Ang ganitong mga kapaki-pakinabang na lubricating na katangian ng grapayt, na kahawig ng carbon "yarrow" o "thousand-layer" sa istraktura nito, ay dahil sa kadalian ng pag-slide ng mga layer sa bawat isa. Ang mga flat at sobrang manipis na layer na ito ay kahawig ng "mga pulot-pukyutan" sa kanilang hugis, na binubuo ng malapit na magkatabing hexagonal na singsing, na ang tuktok ng bawat isa ay isang carbon atom na nakagapos sa tatlong kapitbahay nito. Mayroong kahit na mga layer na isang atom ang kapal! Ang ganitong espesyal na istraktura ay nagpapadali (lahat ay kamag-anak!) Ang pag-access sa mga atomo ng carbon. Ang napakalaking potensyal ng grapayt ay matagal nang kilala, ngunit ang paggamit ng lahat ng mga positibong katangian ng grapayt ay nahahadlangan ng maraming mga problema na lumitaw kapag nagtatrabaho sa grapayt sa antas ng atomic. Ang unang pitfall ay magiging posible na malinaw na makita ang gayong mga istruktura pagkatapos lamang ng pagdating ng mga bagong makapangyarihang high-resolution na electron microscope.

Sa una, tiningnan ng mga chemist ang carbon sa pamamagitan ng prisma ng kadalian kung saan ito nagiging hibla. Kapag ikinonekta ang mahaba at patag na microcrystals at inihanay ang mga ito kasama ang mga parallel na linya, posible na mag-synthesize ng mga hibla na may diameter na 5-10 microns. Pagpupulong ng 1, 3, 6, 12, 24, 48 libo ng mga carbon fiber na ito depende sa uri ng paggamit kung saan sila ay inilaan,
tumutulong upang synthesize ang nakakagulat na malakas na mga thread, sa kabila ng kanilang walang timbang. Sa pagsisikap na maibalik ang industriya ng tela, na nagdusa sa panahon ng digmaan, mula noong 1959 ang mga Hapon ay nagkakaroon ng carbon fiber. Ang unang research center ay magiging Toray, na isa pa rin sa pinakamalaking kumpanya sa mundo.

Isang maikling pangkalahatang-ideya ng mga pambihirang katangian ng single-walled nanotubes: ang conductive properties ay mas mahusay kaysa sa tanso, habang ang mga ito ay limang beses na mas magaan at 100 beses na mas malakas kaysa sa bakal, ang kanilang haba ay isang milyong beses ang kanilang diameter, at 1 gramo ng nabuo na ibabaw ay sumasakop sa lugar ng 2 basketball court!

Ang mga bagong hibla na ito ay hindi lubos na kapaki-pakinabang para sa mga tradisyunal na tela, ngunit dahil sa kanilang mga pambihirang mekanikal na katangian, mabilis silang pinahahalagahan ng mga industriya ng militar at abyasyon. Ngayon, ang pinakabagong henerasyon ng mga sasakyang panghimpapawid ng sibil ay binubuo ng higit sa 50% carbon fiber, at ang A380 ay hindi makakalipad nang wala nito... At kahit saan kailangan ang kahusayan at magaan na timbang - mga gamit sa palakasan, mga bangka at karerang sasakyan, prosthetics, atbp. .d. Hindi mo na magagawa nang walang carbon fiber.

...sa nanometer

Gayunpaman, kinailangan naming maghintay hanggang 1985, nang nilikha ng tao ang ika-3 mala-kristal na anyo ng carbon, sa pagkakataong ito ay ganap na artipisyal, fullerenes. Ang sukat ay nagbabago nang husto at ang paglulubog sa kalaliman ng walang katapusang maliit na dami ay nagsisimula, ang micron ng hibla ay pinalitan ng nanometer. Ang prefix na "nano" ("nein" sa Greek) ay nangangahulugang ika-1 bilyon ng metro. Kapag naglalaro ka ng mga atomo sa sukat ng nanometer, kailangan mong hatiin ang dimensyon ng micron sa 1,000! Ang pagtuklas ng fullerenes ay naganap sa laboratoryo, nang sinubukan ng mga astrophysicist na makahanap ng sagot sa tanong ng kalikasan ng pinagmulan ng mahabang carbon-containing chain na matatagpuan sa kalawakan.

Batay sa kanilang kaalaman sa mga molekula na nakakulong sa dalawang-dimensional na flat layer ng graphite, ang mga chemist ay nakagawa ng mga bagong 3-D na molekula na 100% carbon pa rin, ngunit may mas magkakaibang at kawili-wiling mga hugis: mga sphere, ellipsoids, tubes, rings , atbp. d. Ano ang ginamit na paraan ng paglikha para dito? Pagsingaw sa isang neutral na kapaligiran ng isang graphite disk sa pamamagitan ng laser ablation sa ilalim ng mga partikular na kondisyon. Ang ideya mismo, pati na rin ang pagpapatupad nito, ay malayo sa pagiging nasa loob ng kapangyarihan ng lahat ... Na opisyal na kinilala noong 1996, nang iginawad ang Nobel Prize sa Chemistry, sa Anglo-American na pangkat ng mga imbentor na binubuo ng Kroto, Kulot (Kulot), Smalley. At ito ay patas.

Ang pinakaunang produkto na nakuha gamit ang generation method na ito ay orihinal na may hugis ng soccer ball! Tulad ng bola, ang istraktura ay nasira sa 20 hexagons, at tulad ng grapayt, ito ay konektado sa 12 pentagons. Ang istrukturang ito, na tinatawag na C60, ay 0.7 nanometer lamang ang kapal at may panloob na espasyo na isang nanometer lamang, na 200 milyong beses na mas maliit kaysa sa isang tunay na bola ng soccer! Gayunpaman, ang tampok na ito na nauugnay sa kultura ng Anglo-Saxon ng pangkat ng pananaliksik ang hahantong sa pagtatalaga ng isang napaka orihinal na pangalan sa produkto. Bilang karangalan sa arkitekto na si Buckminster Fuller, ang imbentor ng geodesic spheres, ang C60 ay tinawag na "footballene" sa loob ng ilang panahon, pagkatapos ay naging unang buckminsterfullerene, at kalaunan ay nabawasan (sa kabutihang palad!) sa fullerene.

Matapos mabuksan ang pinto sa paglikha ng isang makabagong materyal, nagsimula ang proseso: maraming grupo ng pananaliksik ang nagmadali upang makakuha ng fullerenes, na nag-imbento ng iba't ibang mga pamamaraan para sa synthesis nito. Ang pinaka-magkakaibang anyo ng fullerene ay nagsimulang lumitaw, mas mabisa kaysa sa mga nauna, na may mga katangian na iba-iba gaya ng kanilang namumukod-tangi! Ito ay pinaniniwalaan na ngayon na mayroong higit sa 250,000 mga uri ng fulleron (at hindi ito ang katapusan!), Na maaaring maging kapaki-pakinabang sa anumang industriya: mga parmasyutiko, kosmetiko, electronics, photovoltaics, lubricants, atbp. Pagkatapos ng pera, ang mga nanoparticle ang pinaka ginagamit na bagay sa mundo.

At pagkatapos ay mayroong mga nanotubes at, sa wakas, graphene.

Kasunod ng C60, posibleng makakuha ng "footballs" na 70, 76, 84, 100, 200 atoms, at kahit 20, at ito ay simula pa lamang. Sa ilalim ng impluwensya ng temperatura, ang mga molekula ng carbon ay nahahati (dapat lamang matutunan ng isa kung paano gawin ito), at ang kanilang mga constituent atom ay muling pinagsama sa isang walang katapusang iba't ibang mga anyo, at tila posible ang anumang mga pagsasaayos. Ang mga bola, megatubes, nanotubes, dimer, polymer, nanoonions, atbp., ang malaking pamilya ng fullerenes ay patuloy na lumalaki, ngunit ang maliliit na nanotubes ay nananatiling pangunahing pag-asa para sa seryosong pag-unlad ng industriya hanggang ngayon.

Kung ang 1959 at 1985 ay karaniwang tinatanggap na mga petsa para sa kapanganakan ng carbon fiber at fullerenes, pagkatapos ay lumitaw ang mga nanotubes sa isang lugar sa pagitan ng 1991 at 1993. Noong 1991, ang Japanese pioneer na si Sumio Iijima (NEC) sa panahon ng kanyang pananaliksik sa synthesis ng fullerenes ay nakatanggap ng unang multilayer nanotubes, ang bilang ng mga graphene layer kung saan mula 2 hanggang 50. Muli niyang nakuha ang mga ito noong 1993, ngunit ngayon sila ay nanotubes na may isang pader, at sa parehong oras Donald S. Bethune, IBM (Donald S. Bethune), bawat isa sa kanyang sariling paraan.

Sa yugtong ito sa modernong kasaysayan ng carbon, lumilitaw ang isang materyal na bumubuo sa mga dingding ng iisang pader na nanotube (iisang pader), iyon ay, graphene. Ito ang sikat na dalawang-dimensional na kristal, na may isang patag na layer sa anyo ng isang pulot-pukyutan at isang atom lamang ang makapal, ang layering nito ay bumubuo ng grapayt. Sa katunayan, ang tila simple, dahil sa natural na pinagmulan nito, ay hindi, kaya kinailangan naming maghintay para sa 2004, nang ang Dutchman na si André Geim ay nagawang ihiwalay ang karpet na ito (o sa halip ay isang grid?) Isang atom na makapal sa isang orihinal na paraan. Gumamit siya ng duct tape upang alisan ng balat ang layer sa pamamagitan ng layer hanggang ang isang layer ay 1 atom ang kapal. Ang iba pang mga paraan ng pagkuha ng graphene ay natuklasan, siyempre, ngunit para dito ibinahagi ni Geim ang Nobel noong 2010 kay Konstantin Novoselov, isang Briton na ipinanganak sa Russia na, tulad niya, ay nagtrabaho sa UK.

Mula sa isang kumbensyonal na pananaw, sa hinaharap, babaguhin ng graphene ang ating buhay. Ayon sa ilan, ito ay isang teknolohikal na kaguluhan na maihahambing sa saklaw sa paglipat mula sa Bronze Age hanggang sa Iron Age! Ang graphene, na parehong nababaluktot at nababanat, ay nagsasagawa ng kuryente nang mas mahusay kaysa sa tanso. Ang walang kulay na graphene ay 6 na beses na mas magaan kaysa sa bakal, at 100 o kahit na 300 beses na mas malakas. Ang kakaibang ito ay kayang gawin ang lahat: sa kabila ng kanyang laki, kaya niyang palakasin ang halos lahat. Ito ay 1 milyong beses na mas manipis kaysa sa isang buhok - 3 milyong layer ng graphene na nakasalansan, hindi hihigit sa 1mm. Gayunpaman, ang buong planeta, simula sa Europa, ay gumagastos ng bilyun-bilyon upang matutunan kung paano i-synthesize ang mga naturang layer sa tamang sukat sa abot-kayang presyo. Sa kasamaang palad, hindi pa lahat ay nakamit ito!

Single wall nanotube

Samantala, ang paglulunsad ng serial synthesis ng graphene ay hindi pa naitatag, isa pang anyo ng fullerene na may mga dingding na gawa sa graphene ay nagsimulang makakuha ng momentum: isang nanotube. Sa una, nakuha ito ni Iijima (Iijima) gamit ang dalawang graphite electrodes: kapag ang isang electric current ay lumilikha ng plasma na 6000 ° C: ang anode (+) ay sumingaw, at isang maitim na precipitate form sa cathode (-), iyon ay, nanotubes. Bilang karagdagan sa pamamaraang ito ng "arc discharge plasma sputtering", may iba pa: sa mataas at katamtamang temperatura, sa isang gas na estado. Ang mga resulta ay naiiba, bagaman, kaagad pagkatapos ng kanilang paglabas, ang mga atomo ng carbon ay agad na nagsimulang magsama-sama, na bumubuo ng mga kakaibang hugis. Kaya, karamihan sa mga synthesized nanotubes, bilang mga tagapagmana ng fullerene family, ay "sarado" sa mga dulo na may isa o dalawang hemispherical caps. Ang mga "kalahati ng soccer" na ito ay maaaring itago o alisin upang buksan ang magkabilang dulo ng tubo at punuin ito ng iba pang mga produkto upang gawin itong mas kawili-wili.

Ang mga multiwalled nanotubes (MW, multiwall) ay kahawig ng mga nesting doll ng Russia sa kanilang istraktura: maraming mga tubo na may lumiliit na diyametro, nakapilipit sa isa't isa, o isang layer na umiikot sa sarili nito na parang scroll. Mayroon ding mga gaps, butas sa cellular o iba pang mga istraktura na may 5 o 7 panig, at kung minsan ay mga impurities, mga deposito mula sa mga metal catalyst, na kailangang-kailangan sa operasyong ito: pagkatapos, bago gamitin ang naturang mga nanotubes, kailangan nilang linisin o ibalik. Ang solong dingding (SW, solong dingding) ay maaari ding magkaroon ng ibang-iba na istraktura (spiral o hindi), na nagbibigay sa kanila ng malaking kalamangan sa mga tuntunin ng mekanikal o elektrikal na mga katangian at nagbibigay sa kanila ng mga katangian ng isang konduktor o semiconductor, atbp.

Ang pag-master ng paraan ng nanotube synthesis ay hindi isang paglalakbay sa isang mahaba at kalmadong ilog, ngunit isang napaka-komplikadong proseso, na binubuo sa pagtatrabaho sa napakaliit na halaga ng materyal sa mataas na antas ng mga gastos. Mayroon pa ring isang bilang ng mga paghihirap, at napakahirap pa ring lapitan ang mga ito. Ito ay nahayag noong 2013, nang ang higanteng kemikal na Bayer ay nawalan ng malaking pera sa pagsasara, tatlong taon lamang pagkatapos magbukas, ang planta nito sa Leverkusen para sa ang synthesis ng 200 tonelada ng nanotubes sa taon. Tila ang desisyong ito ay hinimok ng teknikal (carbon fiber at Kevlar ay nasa ranggo pa rin) at komersyal na kompetisyon, pati na rin ang muling pagtatasa ng demand, kapwa sa mga tuntunin ng dami nito at mga rate ng paglago.

OCSiAl, anak ng silicone taiga

Tulad ng maraming mahusay na modernong imbensyon na may maraming tagalikha, ang pagtuklas ng mga nanotube ay hindi lamang dahil sa Iijima at Bethune. Maraming mga koponan ang nagtrabaho sa isyung ito, kung minsan ay hindi sila pamilyar sa isa't isa at gumamit ng iba't ibang mga pamamaraan. Ang isang mas maingat na pag-aaral ng kasaysayan ng isyu ay nagpapahiwatig na noong 1952, ang mga siyentipiko ng Sobyet na sina Radushkevich at Lukyanovich ay nagsasagawa na ng pananaliksik sa mga tubo na may sukat na 50 nanometer, at noong 1976 sina Oberlin, Endo at Koyama ay nag-aral ng mga guwang na hibla at single-walled carbon nanotubes (single wall). nano carbon tubes, dinaglat na SWCNT). Noong 1981, nakuha ng mga siyentipiko ng Sobyet ang isang imahe ng curling graphene, single-walled tubes sa hanay mula 0.6 hanggang 6 nm.

Ang Cold War at proteksyon ng mga lihim na pang-industriya ay nagpabagal sa pagpapakalat ng impormasyon tungkol sa mga nanotubes, na nagpapaliwanag ng hitsura sa merkado ng mundo ng kumpanya ng Russia na OCSiAl, na matatagpuan sa Akademgorodok, isang lungsod ng pananaliksik 20 km mula sa Novosibirsk, sa gitna ng Siberia. Ito ay ipinaglihi at nilikha noong 1957 ng Academician Lavrentiev, Doctor of Physical and Mathematical Sciences. Tinangkilik ni Nikita Khrushchev ang paglikha ng pinakamahusay na mga kondisyon para sa buhay at gawain ng mga piling tao ng agham ng Sobyet. Inabandona dahil sa pagbagsak ng USSR, ang Akademgorodok ay muling nabuhay sa isang bago, mas moderno at kapitalistang anyo. Ang lungsod na ito ng 60,000 naninirahan ay tahanan ngayon ng mga world-class na startup. Noong 2006, isang bagong technopark ang nilikha dito. Ang dinamika, pagkamalikhain at mataas na konsentrasyon ng mga advanced na negosyo ay nagbibigay-daan sa amin na tawagan ang Akademgorodok na "Silicon Taiga" - ayon sa pagkakatulad sa Silicon Valley ng California...

Ang mismong pangalan na OCSiAl ay isang pahiwatig sa mga kemikal na simbolo ng mga pangunahing elemento kung saan gumagana ang kumpanya: O - oxygen, C6 - carbon kasama ang atomic number nito 6, Si - silikon, Al - aluminyo.

Tatlong Musketeer OCSiAl

Tulad ng kinakailangan ng tradisyon, mayroong apat na Musketeer ng mga tagapagtatag ng OCSiAl! Kahit na opisyal na si Mikhail Predtechnsky ay isang Senior Vice President lamang, ang may-akda ng teknolohiya ng synthesis, siya ay isang pangunahing pigura sa kumpanya at isang tao ng hinaharap. Ang siyentipiko at imbentor na ito ang nakapagtapos ng isang "plasma-chemical" reactor na may kakayahang mag-synthesize ng single-walled carbon nanotubes ng pinakamataas na kalidad sa malalaking volume, at, samakatuwid, sa mga presyo sa merkado, na wala pang nakakagawa. gawin. Ang siyentipikong ito, ang nagdadala ng pinaka-advanced na teknolohiya, ay sinamahan ng tatlong iba pang co-founder, financier at manager ng parehong mataas na antas: Yuri Igorevich Koropachinsky, Oleg Igorevich Kirilov at ngayon ay naninirahan sa Israel Yuri Zelvensky. Natukoy nila ang potensyal ng pandaigdigang merkado (tinatayang nasa 3 bilyong dolyar!) At itinaas ang 350 milyong dolyar na kinakailangan upang mabuo ang OCSiAl noong 2009, at pagkatapos noong 2013 ay nagrehistro ng mga patent at nagtayo ng Graphetron 1.0 reactor, na may kakayahang mag-synthesize ng 10 tonelada ng single-walled carbon nanotubes bawat taon.

Graphetron 1.0 ay inilagay sa sirkulasyon noong 2014. At noong 2016, ang kumpanya ay mayroon nang 260 katao sa mga tauhan nito, kung saan 100 katao ang mga siyentipiko ng pinakamataas na antas na nagtatrabaho sa mga laboratoryo ng Akademgorodok. Ang natitirang mga kawani ng kumpanya ay mga inhinyero at mangangalakal na nagbebenta ng mga branded na nanotube sa ilalim ng trademark ng TUBALL sa buong mundo. Sa una, ang mga opisina ay binuksan sa Columbus, Incheon, Mumbai, Shenzhen, Hong Kong, Moscow upang makapasok sa lahat ng mga pangunahing merkado. Ang punong-tanggapan ng kumpanya ay matatagpuan sa Luxembourg. Ang koponan ay binubuo ng mga espesyalista mula sa isang malawak na iba't ibang mga profile, dahil mayroong isang malaking bilang ng mga industriya (at napaka-magkakaibang mga) na ang mga produkto ay maaaring "pasiglahin" ang TUBALL. Ang mga teknikal at komersyal na espesyalista ay tiwala sa kalidad at malawak na hanay ng mga posibilidad para sa paggamit ng TUBALL. Nagtatakda ang Marketing OCSiAl ng medyo mataas na target na bar para sa kanila. Sa 2017, pinlano na maglunsad ng pangalawang reactor na may kakayahang mag-synthesize ng 50 tonelada bawat taon. Ang mga panandaliang projection ay exponential batay sa 800 tonelada sa 2020 at 3,000 tonelada sa 2022.

At kung ang unang dalawang graphetron ay nagsimulang mag-synthesize ng 60 tonelada bawat isa sa Akademgorodok mula 2018, kung gayon ang pangatlo ay dapat, sa teorya, ay lilitaw na mas malapit sa Europa at sa mga pangunahing merkado nito. At dahil ang pangunahing detalye ay nangangailangan ng "maraming enerhiya at gas," ang mga taya ay ginagawa na tungkol sa hinaharap na lokasyon: bakit hindi sa Luxembourg, dahil ang kumpanya ay naka-headquarter dito?

Malinaw na Superyoridad

Maaaring isaalang-alang ng isa ang gayong mga pagtataya na masyadong maasahin sa mabuti at matakot na lumipad sa pipe, tulad ng nangyari sa Bayer, ngunit walang sinuman sa Luxembourg ang natatakot dito - ang TUBALL na single-walled carbon nanotubes ay napakahusay sa kanilang mga katangian sa multilayer nanotubes. Ito mismo ang kumbinsido ni Christoph Siara, Direktor ng Marketing at Sales, Ocsial Europe, at Jean-Nicolas Helt, Lead Development at Customer Support, Elastomers, OCSiAl Europe. Hindi mo masasabi sa pangalan ni Christophe Ciara na siya ay German. Si Christoph ay pinag-aralan bilang isang abogado. Nakatira sa France mula noong 1983, ang mga paglipat ng karera mula sa isang makabagong industriya patungo sa isa pa ay nagbigay sa kanya ng karanasan upang makabisado ang mga pinaka kumplikadong teknolohiya nang may pag-unawa. Kapag si Christophe Ciara ay nagsasalita tungkol sa mga nanotubes, maaari siyang mapagkamalan na isang tunay na chemist. Si Engineer Jean-Nicolas Elt ay mula sa France. Nagtapos siya ng environmental physics mula sa Unibersidad ng Nancy, pagkatapos ay mula sa ESEM ng Orléans. Salamat sa kanyang mahusay na edukasyon, nakasali siya sa Goodyear sa Luxembourg. Sa loob ng 17 taon, ipinagmamalaki niya ang ilang malalaking tagumpay sa industriya ng gulong para sa mabibigat na trak at pampasaherong sasakyan. Noong 2015, sumali siya sa OCSiAl bilang isang project manager, at siya ang nagsabi na ang TUBALL nanotubes ay maaaring magdala ng isang bagay na mahalaga sa industriya ng gulong.

Ipinaliwanag ni Christophe Ciara na ang pagpapakilala ng TUBALL na single-walled carbon nanotubes ay isang makabuluhang tagumpay para sa industriya kung ihahambing sa kanilang mga nauna, multi-walled nanotubes. Sa kanilang mga diameters mula 25 hanggang 40 nm, na binubuo ng ilang mga baluktot na layer, ang mga multilayer nanotubes na ito ay medyo matibay sa kalikasan, na nagkaroon ng negatibong epekto sa kanilang mga mekanikal na katangian. Hindi tulad ng multi-walled nanotubes, ang TUBALL single-walled carbon nanotubes ay manipis, sa pagkakasunud-sunod ng 1.5 nm, at napakahaba > 5 microns: "Ang mga ito ay 3,000 beses na mas mahaba kaysa sa lapad, na nagiging mas malinaw sa halimbawang ito: ito ang iyong patubig sa hardin hose na 100 metro ang haba!

Nangangahulugan ito na mayroon ding linguistic side ng isyu, dahil ang mga pangalan na "serpentine", "noodles", "hollow at long carbon fiber" ay mukhang mas angkop kaysa sa isang tubo. Ngunit gayon pa man, ang isang nanotube ay mas simple!

Iba pang mga aspeto kung saan ang TUBALL ay walang kalaban: ang 1 nm makapal nitong layer ay ganap na pantay, amorphous carbon< 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%, band ratio G/D (Raman spectrometry) > 70, na nagpapatunay ng mahusay na conductivity. Ang lahat ng mga resulta ay kinumpirma ng mga independiyenteng laboratoryo, isa sa mga ito ay Intertek (Mayo 2014).

Hindi kapani-paniwalang paglaki at makabuluhang pagpapabuti sa lahat ng mga parameter na may synthetic nitrile rubber hermetic seal.

Ang lahat ng pagkakaiba ay nasa proseso

Graphetron 1.0 Si Mikhail Predtechensky ay malamang na isa sa mga makina na magbabago sa ika-21 siglo. Ito ay isang reactor na may kakayahang magproseso ng malalaking volume gamit ang mga precursor at murang mga catalyst. Paano ito gumagana? Ito ay isang ganap na lihim, na napakahusay na binabantayan. Natatawang tiniyak nina Christophe Ciara at Jean-Nicolas Helt na wala silang alam tungkol dito at hinding-hindi. At ang pinaka-una sa lahat ng mga papeles para sa pagtatrabaho, na kanilang pinirmahan, tulad ng lahat ng mga kawani, ay isang kasunduan sa hindi pagsisiwalat! " Graphetron 1.0 ay ipapakita sa panahon ng isang kumperensya sa agham sa Nobyembre, ngunit puspusang wala itong maitutulong sa amin. Ngunit ang pinakamahalaga, nagbibigay-daan ito para sa tuluy-tuloy na daloy ng mataas na kalidad na synthesis ng SWCNT sa mga makatwirang presyo. May pagtatantya na ang taunang 10 toneladang ito ay kumakatawan ngayon sa 90% ng synthesis ng mundo ng mga single-walled nanotubes. Mula 2017, plano ng kumpanya na magsimulang mag-synthesize ng 50 tonelada pang nanotubes!

Mga presyo para sa mga produkto ng TUBALL? - Bawal pag usapan yan. Trade secret. Ngayon lamang ipinakita ito ng mga polyeto ng kumpanya: may pakiramdam na napakalayo nito sa tamang mga pagtatantya, ngunit hindi bababa sa nagbibigay ito ng ideya ng tinatayang halaga ng nanotubes: ang pagpapadala mula sa Novosibirsk ay nagkakahalaga ng $8 bawat gramo para sa isang maliit na dami ng order , $2 para sa malaking order. Mahinhin na tinitiyak ng OCSiAl na binawasan nito ang presyo ng hindi bababa sa 25 beses.

Ang frenetic race na ito para mapataas ang production ay dahil sa versatility ng TUBALL. Ang OCSiAl ay nagbebenta hindi lamang ng mga carbon nanotube, ngunit isang halos unibersal na additive na maaaring magbigay ng isang paputok na pagtaas sa mga katangian ng humigit-kumulang 70% ng mga kapaki-pakinabang na materyales sa ating planeta.

Maraming nalalaman additive, hindi kapani-paniwalang pagganap

Ang pagbanggit sa mga katangian ng TUBALL ay halos kapareho ng paggawa ng mga split: habang mas lalo kang sumisid sa kalaliman na nakikita lamang sa ilalim ng mikroskopyo, mas mataas ang iyong naaabot sa taas ng kahusayan! Isaalang-alang natin sa madaling sabi: ang thermal stability nito ay pinananatili hanggang 1,000°C, ito ay 100 beses na mas malakas kaysa sa bakal, at ang lugar nito ay lumampas sa anumang makatwirang pag-unawa: 1 gramo ng nabuong ibabaw ng isang TUBALL nanotube ay sumasaklaw sa 2 basketball court, iyon ay, 3,000 m 2 .

Ang lahat ng ito ay magiging maliit na pakinabang nang walang isang karagdagang pangunahing pag-aari - ang kamangha-manghang kakayahang maghiwa-hiwalay. Salamat sa napakanipis at mahahabang tubo nito, ang TUBALL ay lumilikha ng maraming network na hindi nakikita ang paghahalo sa iba pang mga elemento at ginagawa itong mas malakas. Kaya, ang ilang katawa-tawa na dami ng TUBALL, mula 1/1,000 hanggang 1/10,000 ng kabuuang timbang, ay sapat na upang bigyan ang mga katangian ng materyal ng isang paputok na paglaki. Ang Single Walled Nanotube (SW) ay ang tunay na SOLUSYON para sa marami sa mga teknolohikal na tagumpay ng ika-21 siglo.

Ang isang maliit na bote na may 1 gramo ng TUBALL, na inilalagay ng OCSiAl sa kamay ng bisita upang mas ma-"appreciate" niya ang produkto, ay isang 100% na garantiya ng tagumpay kapag sinimulan nilang pag-usapan ang mga nilalaman nito nang detalyado: 1015 piraso, iyon ay, 1,000,000,000,000,000 ( isang milyong bilyon) na tubo! Kung sila ay ilagay sa dulo sa dulo sa isa't isa, pagkatapos ay ang resultang haba ay humigit-kumulang 50 milyong kilometro!

Lahat ng kayang gawin ng TUBALL, panandaliang ipinakita ng OCSiAl sa isang diagram sa anyo ng magandang bulaklak na may maraming petals. Sa pamamagitan ng pagpili sa mga katangian nito, kondaktibiti, lakas, neutralidad ng kemikal, transparency, atbp., o pagdaragdag ng mga ito nang sama-sama, nabubuksan ang isang malaking bilang ng mga posibleng aplikasyon. Tunay na ang TUBALL ang "universal amp" na sinasabing ito.

At para mapadali ang paggamit ng conductive additive, ang TUBALL nanotubes ay bihirang ibinibigay sa powder form. Inaalok ang mga ito sa mas maginhawang mga pagpipilian para sa aplikasyon: sa anyo ng isang likido, polimer, langis, goma, atbp. kahit na sa anyo ng isang suspensyon sa mga solvents. Tinitiyak nito ang kadalian ng paghahalo at pagpapakalat. Halimbawa, ang 50 gramo ng TUBALL nanotubes na natunaw sa 50 kg ng epoxy o polyester ay agad na nagbibigay ng mga materyales na may kondaktibiti, na napakapraktikal para sa mga sahig na maaari pang makulayan!

Kakayahang umangkop - seguridad

May isa pang kalamangan ang ready-to-use concentrates: pagtiyak ng kaligtasan kapag nagtatrabaho sa mga nanotubes. Ang kanilang pangunahing anyo at napakaliit na sukat ay nagpapahintulot sa kanila na makapasok sa pinakapuso ng mga selula ng katawan ng tao, kaya ang pag-iingat ay dapat gawin, kahit na ang carbon ay hindi nakakalason sa mga tao. Ang mga nanotube na ipinasok sa matrix ay hindi maaaring sumingaw sa atmospera, na ginagawang ligtas ang kanilang paggamit at nagbibigay-katiyakan sa mga natatakot sa mga carcinogenic effect, tulad ng mula sa asbestos. Iminumungkahi ng World Health Organization (WHO) na ang mga nanotubes ay katulad ng mga hibla. Gayunpaman, ang mga katangian ng TUBALL na single-walled carbon nanotubes ay ibang-iba sa mga katangian ng multi-walled carbon nanotubes, na binanggit namin sa pinakadulo simula. "Upang maging ganap na malinaw," pagbubuod ni Christophe Ciara, "kung ang mga MWCNT ang golf club, ang mga TUBALL SWCNT ang hose ng tubig. Ang solidong hugis at ang pagkakaroon ng pagkamagaspang ay nagpapahintulot sa mga MWCNT na makapasok at magkabit sa cell. Ngunit sa parehong oras, ang matibay at hindi nababaluktot na hugis ng multi-walled nanotubes ay lumilikha ng isang bilang ng mga problema na maaaring iwasan sa pamamagitan ng paggamit ng nababaluktot at mahabang single-walled TUBALL nanotubes, na, dahil sa kanilang mga katangian, ay hindi tumagos sa cell mismo. .

Ang OCSiAl ay masyadong matulungin sa pag-aaral ng problemang ito, samakatuwid, sinusunod nito ang lahat ng pananaliksik na isinagawa sa mundo. Sa partikular, mula noong 2008, pinangasiwaan ng kumpanya ang gawain ng BAuA, isang institusyon ng gobyerno ng Aleman na bumubuo ng mga pamantayang pang-industriya at, lalo na, tinutukoy ang mga katangian ng mga produkto na nagsisiguro sa kaligtasan ng mga manggagawa. Ang TUBALL ay kinuha sa pinakasimpleng anyo nito - sa pulbos, na binili ng 10% ng mga customer. Ang mga nanotube ay nakatanggap ng mga positibong resulta sa kaligtasan ng kanilang paggamit para sa kapaligiran. Nagkaroon lamang ng isang problema: walang paraan upang linisin ang hangin ng mga nanotubes sa pamamagitan ng pagsasala, dahil, dahil sa kanilang masyadong maliit na sukat, naiiwasan nila ang lahat ng mga materyales na kilala sa amin! Samantala, ang isang solusyon ay hinahanap para sa (ito ay ginagawa), ang OCSiAl ay hindi nakakalimutan ang pag-iingat na prinsipyo, na nagmumungkahi na gamitin ang pinaka-epektibong mga uri ng proteksyon para sa TUBALL powder form, na sa kanilang sarili ay ipinag-uutos kapag nagtatrabaho sa ang pinaka-mapanganib na kemikal: isang maskara na tumatakip sa buong mukha, oberols, guwantes, bota. Para sa likidong komposisyon ng sangkap, sapat na ang mga baso, guwantes at oberols.

Ang OCSiAl ay nagmamalasakit din sa integridad ng ikot ng buhay ng mga produkto nito. Ang balita ay nakapagpapatibay, dahil sa sandaling naka-embed sa isang matrix at pagkatapos ay sa mga bagong materyales, ang mga nanotubes ay nananatili doon. Dahil natanggap ang bawat posibleng antas ng proteksyon laban sa panganib na maaari nilang dalhin, ang TUBALL nanotubes ay naging isang "normal" na ahente ng kemikal na napapailalim sa pinaka mahigpit na mga regulasyong ipinakilala kamakailan. Kaya, sa kasiyahan, ngunit walang labis na sorpresa, natanggap ng OCSiAl ang sertipiko ng REACH noong Oktubre, na ngayon ay nagbibigay-daan ito upang magbigay ng hanggang 10 tonelada ng nanotubes bawat taon sa European market.

Ang Great Tire Revolution

Mula pa sa simula ng mga gulong, lahat ng mga tagagawa ay naghahanap ng mga teknolohiya na maaaring mapahusay ang mga katangian ng materyal. Mula sa mga additives tulad ng clay at talc hanggang sa carbon, nagsusumikap pa rin kaming mapabuti ang tibay ng gulong. Ang pagdating ng silikon noong 1991 ay ganap na nagbago ng sitwasyon sa merkado. Ang Silicon ay nagbibigay-daan sa goma na bigyan ng mga unibersal na sukat na umaangkop sa mga partikular na load. Ang Silicon ay naging isang mahalagang sangkap para sa pagganap ng gulong, ngunit ito ay walang halaga kumpara sa dramatikong paglukso na darating sa pagpasok ng TUBALL sa industriya ng gulong.

Sa higit sa 17 taong karanasan sa Goodyear sa ilalim ng kanyang sinturon, si Jean-Nicolas Helt ay dumiretso sa punto. Ang diagram sa pahina 53 ay nagpapakita ng dispersion ng TUBALL sa mga compound ng gulong. Sa kaliwa, dalawang itim na carbon particle ang lumalabas na medyo nakahiwalay sa polymer cube. Ang gitnang larawan ay nagpapakita ng mga resulta ng pagpapalakas ng produkto gamit ang multi-walled carbon nanotubes - medyo maikli, solid at nakabalot. Sa pagtingin sa larawan, makikita mo na ang nakuha ay naging medyo mahina at hindi epektibo. Sa kanan, ang TUBALL, sa ratio na 1/1,000 lamang sa kabuuang timbang, ay pinupuno ang kubo ng 100% ng isang napakasiksik na network ng mga single-walled carbon nanotubes na mahigpit na nakakabit sa isa't isa. Kaya, ang mini-filler na ito ay may isang mahusay na reinforcing effect dahil sa ang katunayan na ito ay lubos na nakabalangkas at nagbibigay-daan upang madagdagan ang pagkakaisa ng mga bahagi. Sa anumang kaso, ang mga naturang reinforced na koneksyon ay may pinakamahusay na epekto, na nagbibigay-daan upang mabawasan ang kadaliang mapakilos ng mga bahagi, at, samakatuwid, ang kanilang pagsusuot. Ito ay lubos na lohikal na ito Ang isang 3D network ng single-wall carbon nanotubes ay bumubuo ng pangalawang balangkas sa goma ng gulong upang pabagalin ang pagkasira ng gulong. Bilang karagdagan, ang TUBALL ay neutral sa kemikal, na ginagawa itong mas lumalaban sa init, UV at kontaminasyon ng hydrocarbon kaysa sa iba pang mga hilaw na materyales.

"Mag-ingat," sabi ni Jean-Nicolas Elt, "TUBALL ay humahawak ng soot sa parehong paraan tulad ng silicon. Ang gulong ay nagpapanatili ng pangunahing pagganap nito, bukod pa rito, sa pagdaragdag ng kahit na napakaliit na halaga ng single-walled carbon nanotubes, ang pagganap ay nagsisimulang bumuti nang malaki. Isa pang bentahe ng TUBALL ay iyonna ito ay isang napakalakas na konduktor, kaya posible na gumawa ng isang gulong ng bus na 100% silikon, ngunit 100% pa rin ang static-conductive, sa halip na maging insulated. Tinatanggal nito ang pangangailangan para sa isang butil ng NdC rubber sa ekwador ng isang premium na gulong ng gulong upang mawala ang static na kuryente sa lupa." Ito ay isa pang makabuluhang pakinabang.

Diagram A. Ang mga asul na spider ay kumakatawan sa pagganap ng klasikong pinaghalong, ang mga pink na lugar ay nagpapakita ng pakinabang na maaaring makuha sa pamamagitan ng pagdaragdag ng silikon. Mga circuit na ihahambing sa sumusunod na circuit B, na tumutugon sa isyung ito sa pagdaragdag ng TUBALL.

Scheme B. Ang prinsipyo ay kapareho ng sa nakaraang scheme A, ang sukat ng mga halaga ay pareho. Maaari itong mapagpasyahan na ang mga kulay rosas na ibabaw ay nagpapakita ng pagpapabuti ng pagganap sa pagdaragdag ng TUBALL.

Mga polimer na may pagdaragdag ng TUBALL

Ang TUBALL ay may parehong epekto sa polymers tulad ng ginagawa nito sa reinforcing fillers. Kaya, ang mga inhinyero ay madaling bumuo ng mga gulong "a la carte", pagdaragdag ng ito o ang polimer na iyon, na pinapanatili ito o ang katangiang iyon, na hindi lalala ng malakas na pag-unlad ng iba pang mga tagapagpahiwatig. Halimbawa, ang mga di-kasakdalan ng ilang gulong sa tuyo o basang mga ibabaw ay maaaring mabayaran ng TUBALL. At para sa mga gulong ng motorsiklo, ito rin ay magiging isang mahusay na pagpipilian, dahil ito ay sabay na mapabuti ang pagkakahawak at pagsusuot. "Maaari nitong mapabuti ang anumang bagay," maikling pagbubuod ni Jean-Nicolas Helt. Ngunit ano ang presyo? Dahil sa kaunting halaga na idaragdag sa halo (ilang ikalibo ng kabuuang timbang) at ang makatwirang halaga ng TUBALL, naniniwala si Jean-Nicolas Elt na ang gastos sa pagmamanupaktura ay tataas mula $2 hanggang $3 bawat gulong, na medyo mahal ngunit matitiis para sa mga premium na gulong. , na dapat ang unang gumamit ng TUBALL, dahil, para sa kanila, ang pagtaas ng kahusayan ay nasa unang lugar. At ito ay ganap na totoo, dahil ang isang malaking bilang ng mga tagagawa ay tumitingin na sa TUBALL, lalo na pagkatapos makatanggap ng mga positibong resulta mula sa mga pagsubok na isinagawa sa mga independiyenteng laboratoryo, halimbawa, sa No. 1 na laboratoryo sa mundo Smithers. Noon nasubukan at nakumpirma ang lahat ng claim ng OCSiAl, kabilang ang katotohanan na ang paglampas sa maliliit na halaga na inireseta ng TUBALL ay hindi nagdudulot ng anumang pagpapabuti. "Hindi mo kailangang magdagdag ng higit sa kailangan mo," ang konklusyon!

Ang konklusyon ay nagsasaad din na ang dosing ng TUBALL para sa mga mixture ay napakasimple, dahil ang proseso mismo ay hindi nagbabago (paghahalo, pagpilit, pagkulo, atbp.) At kailangan mo lamang buksan ang tangke ng TUBALL upang ibuhos ang mga nilalaman nito sa Banbury mixer. Ibinibigay ng OCSiAl ang TUBALL MATRIX 603 nito sa merkado sa anyo na ng ready-to-use concentrate - nanotubes na hinaluan ng synthesized rubbers (natural, styrene butadiene, nitrile butadiene, atbp.) plus tridecyl alcohol ethoxylate (TDAE) process oil, na kadalasang ginagamit para sa mga gulong. Ang TUBALL ay umiiral din sa anyo ng isang suspensyon sa isang malawak na hanay ng mga solvents (MEK, isopropanol, ethylene glycol, ethyl acetate, N-methylpyrrolidone, glycerin o kahit na tubig). Tamang-tama sa mga tuntunin ng kaligtasan, ang mga formulation na ito ay napakadaling gamitin.

Simple at perpektong gamitin, ang solusyon na ito ay maaaring gawing mas madali sa pamamagitan ng pagdaragdag ng TUBALL sa polimer sa oras ng polimerisasyon nito: wala nang mga karagdagang hakbang sa paghahalo! Ang pamamaraang ito ng pagpapakilala ng isang polimer sa sandali ng kapanganakan ay "inilipat" ang problema mula sa tagagawa patungo sa tagapagtustos ng synthesized na goma, ngunit naisip na ito ng OCSiAl, na sinimulan ang pakikipagtulungan sa LANXESS. Sa madaling salita, naghahanda ang TUBALL na pasukin ang industriya ng gulong sa pamamagitan ng dalawang pinto nang sabay-sabay, na nangangahulugan na mas mabilis ang pag-unlad nito.

Kahit na ang pagdaragdag ng mga natural na goma ay maaari lamang mangyari sa sandali ng paghahalo, ang paggamit ng TUBALL ay makakamit ang mga magagandang prospect kahit na ito ay direktang idagdag sa panahon ng proseso ng pagmamanupaktura sa iba pang synthesized rubbers, isoprene o nitrile butadiene. Ang huli ay gumawa ng isang tunay na paglukso sa industriya, lumipat sa isang bagong antas ng lakas ng gasket sa lahat ng mga lugar ... Sa madaling salita, ang merkado para sa mga gulong, pang-industriya na goma (mga guwantes ng latex surgeon ay lumipat sa TUBALL), polimer, elastomer, composite, mga baterya, photovoltaics, flexible screen, magnetic inks, antistatic concrete, mga pintura, ceramics, tanso, semiconductors, stained glass, adhesive tape, atbp. ay lahat ng mga target na lugar kung saan maaaring ilapat ang TUBALL. At ngayon mas naiintindihan namin ang lahat ng mga prospect ng proyekto " Graphetron 50" na naglalayong maghatid ng isang paputok na pagpapalakas ng pagganap para sa 70% ng mga umiiral na produkto sa industriya...

Scheme C. Ang tuwid na linya sa ibaba ay ang mga klasikong compound, ang berdeng tuldok na linya ay ang mga pinaghalong may pagdaragdag ng silikon, habang ang asul na transverse line ay nagpapakita ng pagpapabuti sa pagganap ng gulong sa pagdaragdag ng TUBALL.

Kumpetisyon na...

Para sa mga nag-aalinlangan pa rin tungkol sa mga pakinabang na inaalok sa mga tagagawa ng gulong sa pamamagitan ng paggamit ng TUBALL, ang Jean-Nicolas Elt ay nagtatanghal ng tatlong mga scheme. Ang unang dalawa ay ang mga klasikong "spiders" na naghahambing sa "kahusayan" ng tatlong iba't ibang uri ng mga gulong - conventional, pinahusay na may silikon at mga gulong kasama ang pagdaragdag ng TUBALL. Ang unang talahanayan (A) ay nakikita sa anyo ng mga zone ng light pink na kulay, ang tagumpay na nakamit salamat sa paggamit ng silikon ay tiyak na mahalaga, ngunit malayo pa rin sa nakakaapekto sa buong hanay ng mga katangian ng gulong.

Ang pangalawa (B) ay nakabatay sa parehong prinsipyo, ngunit sa pagkakataong ito, ang mga light pink na TUBALL zone ay sumasakop sa karamihan ng lugar, na nagpapakita ng isang makabuluhang pagtaas sa pagganap sa halos lahat ng mga parameter. Bukod dito, ang mababang volume ng materyal na ginamit ay nakakagulat: 0.2% sa natural na goma concentrate, 0.1% para sa iba pang dalawa, sa anyo ng oil concentrate.

Ang ikatlong pamamaraan (C) ay matagal nang kilala sa dalubhasang press. Tinutukoy ng dalawang tuwid na linya ang mga katangian ng pinaghalong "soot" (ibaba, sa madilim na asul) at ang pagganap ng "silicon", na mas epektibo, na naka-highlight sa mga berdeng tuldok na linya. Ang pangatlong tuwid na linya, na malinaw na tumatakbo mula sa itaas, ay nagpapakita ng mga pinaghalong may pagdaragdag ng TUBALL - naka-highlight sa asul sa itaas. Malinaw na ipinapakita ng graph ang mga pakinabang na ibinigay ng single-walled carbon nanotubes.

Ang ilang mga tagagawa ay handa na upang maunahan ang curve sa pamamagitan ng pag-anunsyo ng paggamit ng nanocarbon. Hindi ito nangangahulugan na ang ibang mga tagagawa ay hindi na gumagamit ng nanocarbon, bagaman hindi nila ito pinag-uusapan ... Mula sa simula ng taon, ang tagagawa ng gulong ng bisikleta Vittoria ay nagbebenta ng mga gulong kasama ang pagdaragdag ng graphene, ang batayang materyal para sa TUBALL nanotubes (bumalik sa tuktok ng artikulo kung nakalimutan mo na! ). Ginagamit ito ni Vittoria bilang mga layer na naka-embed sa gulong at sinasabing natagpuan niya ang hanggang ngayon ay hindi matamo na kompromiso: pagpapabuti ng rolling resistance habang nakakamit din ang paglaban sa pagbutas ng gulong, isang katangiang napakahalaga sa mga siklista. "Pagbutihin ang lahat nang sabay-sabay" - ngayon ang kumpetisyon ay nagpapatunay sa mga salita ni Jean-Nicolas Elta...

Ang ikalawang piraso ng balita ay nagmula sa China, kung saan napagkasunduan nina Sentury Tire at Huago noong Agosto na gumawa ng graphene-infused na gulong. Hindi pa namin alam kung paano, ngunit sa alinmang paraan, ang teknolohiya ay magiging eksaktong iba sa mga gulong ng Vittoria. Ang mga balitang tulad nito ay nagpapahiwatig ng pangkalahatang pag-unlad: rolling resistance at mileage times 1.5. At narito ang dalawang kinatawan ng kumpanya na nagpakita ng kanilang graphene na "first-born" sa isang pangunahing pagpupulong ng mga carbon specialist na "GrapChina" noong Setyembre 22. Sa parehong oras at sa parehong pulong, opisyal na inihayag ng tagagawa na Shangdong na gagawa na ito ng mga gulong na idinagdag sa graphene. At lahat ng mga gumagamit nito ay tumutukoy sa katotohanan na ito ay naimbento ng mga Nobel laureates. Ito ay isang argumento na hindi maaaring i-claim ng TUBALL, kahit na naimbento ang mga nanotubes bago ang graphene!

Taya namin na ang dami ng ganitong uri ng balita ay lalago nang napakabilis. Ang 2016 ay nagmamarka ng panimulang punto para sa carbon sa industriya ng gulong. At ang pagbabagong ito ay kasisimula pa lamang, at ang OCSiAl, kasama ang mga nanotubes nito, ay nangunguna sa pagbabagong ito. At ito ay isang proseso na karapat-dapat sa aming pansin... Para sa maraming taon na darating...

Jean Pierre Gosselin

Panimula:

Ang mga nanotubes ay maaaring kumilos hindi lamang bilang isang materyal na pinag-aaralan, kundi bilang isang tool sa pananaliksik. Sa batayan ng isang nanotube, posible, halimbawa, upang lumikha ng mga mikroskopikong kaliskis. Kumuha kami ng isang nanotube, tinutukoy (sa pamamagitan ng mga spectroscopic na pamamaraan) ang dalas ng mga natural na oscillations nito, pagkatapos ay ilakip ang sample sa ilalim ng pag-aaral dito at matukoy ang dalas ng oscillation ng load nanotube. Ang dalas na ito ay magiging mas mababa kaysa sa dalas ng mga oscillations ng isang libreng nanotube: pagkatapos ng lahat, ang masa ng system ay tumaas, ngunit ang katigasan ay nanatiling pareho (tandaan ang formula para sa dalas ng oscillation ng isang timbang sa isang spring). Halimbawa, sa trabaho ay natagpuan na ang pag-load ay binabawasan ang dalas ng oscillation mula 3.28 MHz hanggang 968 kHz, kung saan nakuha ang masa ng pagkarga 22 + - 8 fg (femtogram, i.e. 10-15 gramo!)

Ang isa pang halimbawa, kapag ang isang nanotube ay bahagi ng isang pisikal na aparato, ay kapag ito ay "naka-mount" sa dulo ng isang scanning tunneling o atomic force microscope. Karaniwan ang gayong punto ay isang matalas na matalas na karayom ​​ng tungsten, ngunit sa pamamagitan ng mga pamantayan ng atomic ang gayong hasa ay medyo magaspang pa rin. Ang isang nanotube, sa kabilang banda, ay isang perpektong karayom ​​na may diameter ng pagkakasunud-sunod ng ilang mga atomo. Sa pamamagitan ng paglalapat ng isang tiyak na boltahe, posible na kunin ang mga atomo at buong molekula na matatagpuan sa substrate nang direkta sa ilalim ng karayom, at ilipat ang mga ito mula sa isang lugar patungo sa isang lugar.

Ang hindi pangkaraniwang mga katangian ng elektrikal ng nanotubes ay gagawin silang isa sa mga pangunahing materyales ng nanoelectronics. Nagawa na ang mga prototype ng field-effect transistors batay sa isang nanotube: sa pamamagitan ng paglalapat ng blocking boltahe ng ilang volts, natutunan ng mga siyentipiko na baguhin ang conductivity ng single-layer nanotube ng 5 orders of magnitude!

Ang ilang mga aplikasyon ng nanotubes sa industriya ng kompyuter ay binuo na. Halimbawa, ang mga prototype ng manipis na flat display batay sa isang nanotube matrix ay ginawa at nasubok. Sa ilalim ng pagkilos ng isang boltahe na inilapat sa isang dulo ng nanotube, ang mga electron ay nagsisimulang ilabas mula sa kabilang dulo, na nahuhulog sa phosphorescent screen at nagiging sanhi ng pagkinang ng pixel. Ang magreresultang butil ng imahe ay magiging napakaliit: sa pagkakasunud-sunod ng isang micron!

carbon nanotubes (tubulenes) ay mga pinahabang cylindrical na istruktura na may diameter mula isa hanggang ilang sampu-sampung nanometer at haba ng hanggang ilang sentimetro, na binubuo ng isa o higit pang hexagonal graphite plane na pinagsama sa isang tubo at kadalasang nagtatapos sa isang hemispherical na ulo, na maaaring ituring bilang kalahati isang molekulang fullerene

Istraktura ng nanotubes:

Upang makakuha ng nanotube (n, m), ang graphite plane ay dapat i-cut sa mga direksyon ng mga tuldok na linya at igulong sa direksyon ng vector. R .

Ang isang perpektong nanotube ay isang graphite plane na pinagsama sa isang silindro, iyon ay, isang ibabaw na may linya na may mga regular na hexagons, sa tuktok kung saan matatagpuan ang mga carbon atom. Ang resulta ng naturang operasyon ay nakasalalay sa anggulo ng oryentasyon ng graphite plane na may paggalang sa nanotube axis. Ang anggulo ng oryentasyon, sa turn, ay tumutukoy sa chirality ng nanotube, na tumutukoy, sa partikular, ang mga de-koryenteng katangian nito.

Ang chirality ng nanotubes ay tinutukoy ng isang hanay ng mga simbolo (m, n) na nagpapahiwatig ng mga coordinate ng hexagon, na, bilang isang resulta ng pagtitiklop ng eroplano, ay dapat na tumutugma sa hexagon sa pinanggalingan.

Ang isa pang paraan upang italaga ang chirality ay ang ipahiwatig ang anggulo α sa pagitan ng direksyon ng pagtitiklop ng nanotube at ang direksyon kung saan ang mga katabing hexagon ay nagbabahagi ng isang karaniwang panig. Gayunpaman, sa kasong ito, para sa isang kumpletong paglalarawan ng geometry ng nanotube, kinakailangan upang tukuyin ang diameter nito. Ang mga indeks ng chirality ng isang solong-layer na nanotube (m, n) ay natatanging tumutukoy sa diameter nito D. Ang kaugnayang ito ay may sumusunod na anyo:

saan d 0 = 0.142 nm - ang distansya sa pagitan ng mga katabing carbon atoms sa graphite plane. Ang ugnayan sa pagitan ng mga indeks ng chirality (m, n) at ang anggulo α ay ibinibigay ng:

Kabilang sa iba't ibang posibleng direksyon ng nanotube folding, mayroong mga kung saan ang pagkakahanay ng hexagon (m, n) sa pinagmulan ay hindi nangangailangan ng pagbaluktot ng istraktura nito. Ang mga direksyong ito ay tumutugma, sa partikular, sa mga anggulo na α = 0 (configuration ng armchair) at α = 30° (zigzag configuration). Ang mga pagsasaayos na ito ay tumutugma sa mga chiralities (m, 0) at (2n, n), ayon sa pagkakabanggit.

(mga uri ng nanotubes)

Mga nanotube ng solong pader:

Ang istraktura ng mga single-walled nanotubes na sinusunod sa eksperimento ay naiiba sa maraming aspeto mula sa idealized na larawan na ipinakita sa itaas. Una sa lahat, ito ay may kinalaman sa mga vertices ng nanotube, na ang hugis, tulad ng mga sumusunod mula sa mga obserbasyon, ay malayo sa isang perpektong hemisphere.

Ang isang espesyal na lugar sa mga single-walled nanotubes ay inookupahan ng tinatawag na armchair nanotubes o nanotubes na may chirality [10, 10]. Sa mga nanotubes ng ganitong uri, dalawa sa mga C–C na bono na bumubuo sa bawat anim na miyembro na singsing ay naka-orient parallel sa longitudinal axis ng tubo. Ang mga nanotubes na may tulad na istraktura ay dapat magkaroon ng isang purong metal na istraktura.

Multiwalled nanotubes:

Ang mga multi-walled nanotubes ay naiiba sa single-walled nanotubes sa mas malawak na iba't ibang mga hugis at configuration. Ang pagkakaiba-iba ng mga istraktura ay ipinapakita sa parehong pahaba at nakahalang direksyon.

Ang istraktura ng uri ng "Russian nesting dolls" (russian dolls) (Fig. a) ay isang hanay ng mga coaxially nested cylindrical tubes. Ang isa pang pagkakaiba-iba ng istrukturang ito (Larawan b) ay isang hanay ng mga nested coaxial prisms. Sa wakas, ang huli sa mga istruktura sa itaas (Larawan c) ay kahawig ng isang scroll (scroll). Para sa lahat ng mga istruktura sa Fig. katangian na halaga ng distansya sa pagitan ng katabing mga layer ng grapayt, malapit sa halaga ng 0.34 nm, likas sa distansya sa pagitan ng mga katabing eroplano ng mala-kristal na grapayt.

Ang pagpapatupad ng isa o isa pang istraktura ng multiwalled nanotubes sa isang partikular na pang-eksperimentong sitwasyon ay nakasalalay sa mga kondisyon ng synthesis. Ang isang pagsusuri sa magagamit na pang-eksperimentong data ay nagpapahiwatig na ang pinakakaraniwang istraktura ng mga multi-walled nanotubes ay isang istraktura na may mga seksyon ng mga "Russian nesting dolls" at "papier-mâché" na mga uri na halili na matatagpuan sa haba. Sa kasong ito, ang "mga tubo" ng isang mas maliit na sukat ay sunud-sunod na nakapugad sa mas malalaking tubo. Ang ganitong modelo ay sinusuportahan, halimbawa, sa pamamagitan ng mga katotohanan sa intercalation ng potassium o ferric chloride sa espasyo ng "intertube" at ang pagbuo ng mga istruktura ng uri ng "bead".

Kasaysayan ng pagbubukas:

Tulad ng nalalaman, ang fullerene (C 60) ay natuklasan ng grupo ng Smalley, Kroto, at Curl noong 1985, kung saan ang mga mananaliksik na ito ay ginawaran ng Nobel Prize sa Chemistry noong 1996. Tulad ng para sa carbon nanotubes, ang eksaktong petsa ng kanilang pagkatuklas ay hindi maibibigay dito. Bagama't karaniwang kaalaman ang obserbasyon ni Iijima noong 1991 sa istruktura ng multi-walled nanotubes, may mas naunang ebidensya para sa pagtuklas ng carbon nanotubes. Kaya, halimbawa, noong 1974-1975. Ang Endo et al. ay naglathala ng isang bilang ng mga papel na naglalarawan ng mga manipis na tubo na may diameter na mas mababa sa 100 Å na inihanda ng vapor condensation, ngunit wala nang mas detalyadong pag-aaral ng istraktura ang isinagawa. Isang pangkat ng mga siyentipiko mula sa Institute of Catalysis ng Siberian Branch ng USSR Academy of Sciences noong 1977, habang pinag-aaralan ang carbonization ng iron-chromium dehydrogenation catalysts sa ilalim ng mikroskopyo, nagrehistro ng pagbuo ng "hollow carbon dendrites", habang isang mekanismo ng ang pagbuo ay iminungkahi at ang istraktura ng mga pader ay inilarawan. Noong 1992, isang artikulo ang nai-publish sa Kalikasan na nagsasaad na ang mga nanotubes ay naobserbahan noong 1953. Isang taon na mas maaga, noong 1952, isang artikulo ng mga siyentipikong Sobyet na sina Radushkevich at Lukyanovich ang nag-ulat sa electron microscopic observation ng fibers na may diameter na halos 100 nm, na nakuha ng thermal decomposition ng oxide carbon sa isang iron catalyst. Hindi rin ipinagpatuloy ang mga pag-aaral na ito.

Ministri ng Edukasyon at Agham ng Russian Federation

Institusyon ng Pederal na Estado ng Mas Mataas na Propesyonal na Edukasyon

Russian University of Chemical Technology D. I. Mendeleev

Faculty ng Petroleum Chemistry at Polymeric Materials

Department of Chemical Technology ng Carbon Materials

PAGSASANAY ULAT

sa paksang CARBON NANOTUBES AT NANOVOLKS

Nakumpleto ni: Marinin S. D.

Sinuri ni: Doctor of Chemical Sciences, Bukharkina T.V.

Moscow, 2013

Panimula

Ang larangan ng nanotechnology ay itinuturing sa buong mundo bilang isang pangunahing paksa para sa mga teknolohiya ng ika-21 siglo. Ang mga posibilidad ng kanilang maraming nalalaman na aplikasyon sa mga lugar ng ekonomiya tulad ng paggawa ng semiconductors, gamot, teknolohiya ng sensor, ekolohiya, automotive, mga materyales sa gusali, biotechnology, kimika, aviation at aerospace, mechanical engineering at industriya ng tela, ay nagdadala ng malaking potensyal para sa. paglago. Ang paggamit ng mga produktong nanotechnology ay makatipid sa mga hilaw na materyales at pagkonsumo ng enerhiya, mabawasan ang mga emisyon sa atmospera at sa gayon ay makatutulong sa napapanatiling pag-unlad ng ekonomiya.

Ang mga pag-unlad sa larangan ng nanotechnologies ay isinasagawa ng isang bagong interdisciplinary field - nanoscience, isa sa mga lugar kung saan ay nanochemistry. Ang nanochemistry ay bumangon sa pagpasok ng siglo, nang tila ang lahat ng bagay sa kimika ay bukas na, ang lahat ay malinaw, at ang natitira lamang ay gamitin ang nakuhang kaalaman para sa kapakinabangan ng lipunan.

Ang mga chemist ay palaging alam at lubos na nauunawaan ang kahalagahan ng mga atomo at molekula bilang pangunahing mga bloke ng gusali ng isang malawak na pundasyon ng kemikal. Kasabay nito, ang pagbuo ng mga bagong pamamaraan ng pananaliksik, tulad ng electron microscopy, highly selective mass spectroscopy, kasama ang mga espesyal na paraan ng paghahanda ng sample, ay naging posible upang makakuha ng impormasyon sa mga particle na naglalaman ng isang maliit, mas mababa sa isang daan, bilang ng mga atomo. .

Ang mga particle na ito, mga 1 nm ang laki (10-9 m ay isang milimetro lamang na hinati sa isang milyon), ay may hindi pangkaraniwang, mahirap hulaan na mga kemikal na katangian.

Ang pinakasikat at naiintindihan ng karamihan ng mga tao ay ang mga sumusunod na nanostructure tulad ng fullerenes, graphene, carbon nanotubes at nanofibers. Lahat sila ay binubuo ng mga carbon atom na nakagapos sa isa't isa, ngunit malaki ang pagkakaiba ng kanilang hugis. Ang Graphene ay isang eroplano, monolayer, "veil" ng mga carbon atom sa SP 2 hybridization. Ang mga fullerenes ay mga saradong polygon, medyo nakapagpapaalaala sa isang soccer ball. Ang mga nanotube ay mga cylindrical hollow volumetric na katawan. Ang mga nanofiber ay maaaring maging cones, cylinders, bowls. Sa aking trabaho, susubukan kong i-highlight ang eksaktong nanotubes at nanofibers.

Istraktura ng nanotubes at nanofibers

Ano ang carbon nanotubes? Ang carbon nanotubes ay isang carbon material na isang cylindrical na istraktura na may diameter ng pagkakasunud-sunod ng ilang nanometer, na binubuo ng mga graphite plane na pinagsama sa isang tubo. Ang graphite plane ay isang tuluy-tuloy na hexagonal grid na may mga carbon atom sa mga vertices ng hexagons. Ang carbon nanotubes ay maaaring mag-iba sa haba, diameter, chirality (symmetries ng rolled graphite plane), at bilang ng mga layer. Chirality<#"280" src="doc_zip1.jpg" />

Single-walled nanotubes. Ang single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) ay isang subspecies ng carbon nanofibers na may istraktura na nabuo sa pamamagitan ng pagtitiklop ng graphene sa isang silindro na ang mga gilid nito ay pinagdugtong nang walang tahi. Ang pag-roll ng graphene sa isang cylinder na walang tahi ay posible lamang sa isang tiyak na bilang ng mga paraan, na naiiba sa direksyon ng two-dimensional na vector na nag-uugnay sa dalawang katumbas na mga punto sa graphene na nag-tutugma kapag ito ay pinagsama sa isang silindro. Ang vector na ito ay tinatawag na chirality vector single-layer na carbon nanotube. Kaya, ang single-walled carbon nanotubes ay naiiba sa diameter at chirality. Ang diameter ng single-walled nanotubes, ayon sa pang-eksperimentong data, ay nag-iiba mula ~ 0.7 nm hanggang ~ 3-4 nm. Ang haba ng isang single-walled nanotube ay maaaring umabot sa 4 cm. May tatlong anyo ng SWCNTs: achiral "chair" type (dalawang gilid ng bawat hexagon ay naka-orient patayo sa CNT axis), achiral "zigzag" type (dalawang gilid ng bawat isa. ang hexagon ay parallel sa CNT axis), at chiral o helical (bawat gilid ng hexagon ay matatagpuan sa CNT axis sa isang anggulo maliban sa 0 at 90 º ). Kaya, ang mga achiral CNT ng uri ng "armchair" ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga indeks (n, n), ng uri ng "zigzag" - (n, 0), chiral - (n, m).

Multiwalled nanotubes. Ang multilayer carbon nanotubes (MWCNTs) ay isang subspecies ng carbon nanofibers na may istraktura na nabuo ng ilang nested single-layer carbon nanotubes (tingnan ang Fig. 2). Ang panlabas na diameter ng multiwalled nanotubes ay nag-iiba sa isang malawak na hanay mula sa ilang nanometer hanggang sampu-sampung nanometer.

Ang bilang ng mga layer sa isang MWCNT ay kadalasang hindi hihigit sa 10, ngunit sa ilang mga kaso umabot ito ng ilang sampu.

Kung minsan, sa mga multilayer nanotubes, ang dalawang-layer na nanotubes ay binibilang bilang isang espesyal na uri. Ang istraktura ng uri ng "Russian dolls" ay isang set ng mga coaxially nested cylindrical tubes. Ang isa pang uri ng istrukturang ito ay isang hanay ng mga nested coaxial prisms. Sa wakas, ang huli sa mga istrukturang ito ay kahawig ng isang scroll (scroll). Para sa lahat ng mga istruktura sa Fig. katangian na halaga ng distansya sa pagitan ng mga katabing graphene layer, malapit sa halaga ng 0.34 nm, likas sa distansya sa pagitan ng mga katabing eroplano ng crystalline graphite<#"128" src="doc_zip3.jpg" />

Russian Matryoshka Roll Papier-mache

Ang carbon nanofibers (CNF) ay isang klase ng mga materyales kung saan ang mga curved graphene layer o nanocone ay nakatiklop sa isang one-dimensional na filament na ang panloob na istraktura ay maaaring mailalarawan ng isang anggulo? sa pagitan ng mga layer ng graphene at ng fiber axis. Ang isang karaniwang pagkakaiba ay sa pagitan ng dalawang pangunahing uri ng fiber: Herringbone, na may densely packed conical graphene layers at malalaking α, at Bamboo, na may cylindrical cup-like graphene layers at maliit na α, na mas katulad ng multiwalled carbon nanotubes.<#"228" src="doc_zip4.jpg" />

a - nanofiber "kolumna ng barya";

b - "Christmas tree structure" nanofiber (stack of cones, "fish bone");

c - nanofiber "stack of cups" ("lamp shades");

d - nanotube "Russian matryoshka";

e - nanofiber na hugis kawayan;

e - nanofiber na may mga spherical na seksyon;

g - nanofiber na may mga seksyon ng polyhedral

Ang paghihiwalay ng mga carbon nanotubes bilang isang hiwalay na subspecies ay dahil sa ang katunayan na ang kanilang mga katangian ay kapansin-pansing naiiba para sa mas mahusay mula sa mga katangian ng iba pang mga uri ng carbon nanofibers. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na ang graphene layer, na bumubuo sa nanotube wall sa buong haba nito, ay may mataas na lakas ng makunat, thermal at electrical conductivity. Sa kaibahan nito, ang mga paglipat mula sa isang layer ng graphene patungo sa isa pa ay nangyayari sa mga carbon nanofiber na gumagalaw sa dingding. Ang pagkakaroon ng mga interlayer contact at mataas na depekto ng istraktura ng nanofibers ay makabuluhang nakapipinsala sa kanilang mga pisikal na katangian.

Kwento

Mahirap pag-usapan ang kasaysayan ng nanotubes at nanofibers nang hiwalay, dahil ang mga produktong ito ay madalas na sinasamahan ang bawat isa sa panahon ng synthesis. Ang isa sa mga unang data sa paggawa ng mga carbon nanofiber ay malamang na isang patent noong 1889 para sa paggawa ng mga tubular na anyo ng carbon na nabuo sa panahon ng pyrolysis ng pinaghalong CH4 at H2 sa isang iron crucible ni Hughes at Chambers. Gumamit sila ng pinaghalong methane at hydrogen upang palaguin ang carbon filament sa pamamagitan ng pyrolysis ng gas, na sinusundan ng carbon precipitation. Naging posible na pag-usapan ang tungkol sa pagkuha ng mga hibla na ito nang sigurado sa ibang pagkakataon, nang naging posible na pag-aralan ang kanilang istraktura gamit ang isang electron microscope. Ang unang obserbasyon ng carbon nanofibers gamit ang electron microscopy ay ginawa noong unang bahagi ng 1950s ng mga siyentipikong Sobyet na sina Radushkevich at Lukyanovich, na nag-publish ng isang artikulo sa Soviet Journal of Physical Chemistry na nagpapakita ng hollow graphite fibers ng carbon na 50 nanometer ang lapad. Noong unang bahagi ng 1970s, nagtagumpay ang mga Japanese researcher na sina Koyama at Endo sa paggawa ng mga carbon fiber sa pamamagitan ng vapor deposition (VGCF) na may diameter na 1 µm at may haba na higit sa 1 mm. Nang maglaon, noong unang bahagi ng 1980s, patuloy na pinahusay ng Tibbets sa USA at Benissad sa France ang proseso ng carbon fiber (VGCF). Sa USA, ang mas malalim na pananaliksik sa synthesis at mga katangian ng mga materyales na ito para sa mga praktikal na aplikasyon ay isinagawa ni R. Terry K. Baker at naudyukan ng pangangailangan na sugpuin ang paglaki ng mga carbon nanofiber dahil sa patuloy na mga problema na dulot ng materyal. akumulasyon sa iba't ibang mga komersyal na proseso, lalo na sa larangan ng pagdadalisay ng langis. . Ang unang pagtatangka na i-komersyal ang mga carbon fibers na lumago mula sa gas phase ay ginawa ng Japanese company na Nikosso noong 1991 sa ilalim ng brand name na Grasker, sa parehong taon ay inilathala ni Ijima ang kanyang sikat na artikulo na nag-uulat ng pagtuklas ng carbon nanotubes.<#"justify">Resibo

Sa kasalukuyan, pangunahing ginagamit ang mga synthese batay sa pyrolysis ng hydrocarbons at sublimation at desublimation ng graphite.

Sublimation-desublimation ng grapaytmaaaring ipatupad sa maraming paraan:

• paraan ng arko,
• nagliliwanag na pag-init (paggamit ng mga solar concentrator o laser radiation),
• laser-thermal,
• pag-init gamit ang isang electron o ion beam,
• sublimation ng plasma,
• resistive na pag-init.

Marami sa mga pagpipiliang ito ay may sariling mga pagkakaiba-iba. Ang hierarchy ng ilang mga variant ng paraan ng electric arc ay ipinapakita sa diagram:

Sa kasalukuyan, ang paraan ng thermal sputtering ng mga graphite electrodes sa arc discharge plasma ay ang pinakakaraniwan. Ang proseso ng synthesis ay isinasagawa sa isang silid na puno ng helium sa presyon na humigit-kumulang 500 mm Hg. Art. Sa panahon ng pagkasunog ng plasma, ang matinding thermal evaporation ng anode ay nangyayari, habang ang isang deposito ay nabuo sa dulong ibabaw ng katod, kung saan ang carbon nanotubes ay nabuo. Ang maximum na bilang ng mga nanotubes ay nabuo kapag ang kasalukuyang plasma ay minimal at ang density nito ay humigit-kumulang 100 A/cm2. Sa mga eksperimentong pag-setup, ang boltahe sa pagitan ng mga electrodes ay humigit-kumulang 15-25 V, ang discharge current ay ilang sampu-sampung amperes, at ang distansya sa pagitan ng mga dulo ng graphite electrodes ay 1-2 mm. Sa panahon ng proseso ng synthesis, humigit-kumulang 90% ng masa ng anode ay idineposito sa katod. Ang nagresultang maraming nanotubes ay may haba na humigit-kumulang 40 μm. Lumalaki sila sa cathode na patayo sa patag na ibabaw ng dulo nito at kinokolekta sa mga cylindrical beam na mga 50 μm ang lapad.

Ang mga bundle ng nanotube ay regular na pinahiran ang ibabaw ng cathode, na bumubuo ng istraktura ng pulot-pukyutan. Ang nilalaman ng nanotubes sa carbon deposit ay tungkol sa 60%. Upang paghiwalayin ang mga bahagi, ang nagresultang precipitate ay inilalagay sa methanol at sonicated. Ang resulta ay isang suspensyon na, pagkatapos ng pagdaragdag ng tubig, ay napapailalim sa paghihiwalay sa isang centrifuge. Ang mga malalaking particle ay nakadikit sa mga dingding ng centrifuge, habang ang mga nanotubes ay nananatiling lumulutang sa suspensyon. Pagkatapos ang mga nanotubes ay hugasan sa nitric acid at tuyo sa isang gas na daloy ng oxygen at hydrogen sa isang ratio ng 1: 4 sa isang temperatura ng 750 0C sa loob ng 5 minuto. Bilang resulta ng naturang pagproseso, ang isang magaan na porous na materyal ay nakuha, na binubuo ng maraming nanotubes na may average na diameter na 20 nm at isang haba ng 10 μm. Sa ngayon, ang maximum na haba ng nanofiber na nakamit ay 1 cm.

Pyrolysis ng hydrocarbons

Sa mga tuntunin ng pagpili ng mga paunang reagents at mga pamamaraan ng pagsasagawa ng mga proseso, ang pangkat na ito ay may mas malaking bilang ng mga opsyon kaysa sa mga pamamaraan ng sublimation at desublimation ng grapayt. Nagbibigay ito ng mas tumpak na kontrol sa proseso ng pagbuo ng CNT, ay mas angkop para sa malakihang produksyon at nagbibigay-daan sa paggawa ng hindi lamang mga carbon nanomaterial mismo, kundi pati na rin ang ilang mga istraktura sa mga substrate, macroscopic fibers na binubuo ng mga nanotubes, pati na rin ang mga composite na materyales, sa partikular, binago gamit ang mga carbon CNT. mga carbon fiber at carbon paper, mga ceramic composite. Gamit ang kamakailang binuo nanospheric lithography, posible na makakuha ng mga photonic na kristal mula sa mga CNT. Sa ganitong paraan, posibleng ihiwalay ang mga CNT ng isang tiyak na diameter at haba.

Ang mga bentahe ng paraan ng pyrolytic, bilang karagdagan, ay kinabibilangan ng posibilidad ng pagpapatupad nito para sa matrix synthesis, halimbawa, gamit ang mga porous na alumina na lamad o molekular na sieves. Gamit ang aluminum oxide, posibleng makakuha ng branched CNTs at CNT membranes. Ang mga pangunahing kawalan ng pamamaraan ng matrix ay ang mataas na halaga ng maraming mga matrice, ang kanilang maliit na sukat, at ang pangangailangan na gumamit ng mga aktibong reagents at malupit na mga kondisyon para sa pagtunaw ng mga matrice.

Ang pyrolysis ng tatlong hydrocarbons, methane, acetylene, at benzene, pati na rin ang thermal decomposition (disproportionation) ng CO ay kadalasang ginagamit para sa synthesis ng CNTs at CNFs. Ang methane, tulad ng carbon monoxide, ay hindi madaling mabulok sa mababang temperatura (nagsisimula ang non-catalytic decomposition ng methane sa ~900 tungkol sa C), na ginagawang posible na i-synthesize ang mga SWCNT na may medyo maliit na halaga ng amorphous carbon impurities. Ang carbon monoxide ay hindi nabubulok sa mababang temperatura para sa isa pang dahilan: kinetic. Ang pagkakaiba sa pag-uugali ng iba't ibang mga sangkap ay makikita sa Fig. 94.

Ang mga bentahe ng methane sa iba pang mga hydrocarbon at carbon monoxide ay kinabibilangan ng katotohanan na ang pyrolysis nito sa pagbuo ng mga CNT o CNF ay pinagsama sa pagpapalabas ng H. 2at maaaring gamitin sa umiiral na produksyon ng H2 .

Mga katalista

Ang mga katalista para sa pagbuo ng mga CNT at CNF ay Fe, Co, at Ni; Ang mga promoter, na ipinakilala sa mas maliliit na halaga, ay pangunahing Mo, W o Cr (mas madalas - V, Mn, Pt at Pd), ang mga carrier ng catalyst ay mga non-volatile oxide at hydroxides ng mga metal (Mg, Ca, Al, La, Si , Ti, Zr), solidong solusyon, ilang salts at mineral (carbonates, spinels, perovskites, hydrotalcite, natural clays, diatomites), molecular sieves (sa partikular, zeolites), silica gel, airgel, aluminum gel, porous Si at amorphous C Kasabay nito, ang V, Cr, Mo, W, Mn at, marahil, ang ilang iba pang mga metal sa ilalim ng mga kondisyon ng pyrolysis ay nasa anyo ng mga compound - mga oxide, carbides, metallates, atbp.

Mga marangal na metal (Pd, Ru, PdSe), mga haluang metal (mischmetal, permalloy, nichrome, monel, hindi kinakalawang na asero, Co-V, Fe-Cr, Fe-Sn, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni- C, Co-Fe -Ni, matigas na haluang metal Co-WC, atbp.), CoSi 2at CoGe 2, LaNi 5, MmNi 5(Mm - mischmetal), mga haluang metal ng Zr at iba pang mga hydride-forming metal. Sa kabaligtaran, pinipigilan ng Au at Ag ang pagbuo ng mga CNT.

Ang mga catalyst ay maaaring ideposito sa silikon na pinahiran ng manipis na oxide film, sa germanium, ilang uri ng salamin, at mga substrate na gawa sa iba pang mga materyales.

Ang buhaghag na silikon na nakuha sa pamamagitan ng electrochemical etching ng single-crystal silicon sa isang solusyon ng isang tiyak na komposisyon ay itinuturing na isang mainam na carrier ng katalista. Ang buhaghag na silikon ay maaaring maglaman ng mga micropores (< 2 нм), мезопоры и макропоры (>100 nm). Upang makakuha ng mga katalista, ginagamit ang mga tradisyonal na pamamaraan:

• paghahalo (bihirang sintering) ng mga pulbos;
• deposition o electrochemical deposition ng mga metal sa isang substrate, na sinusundan ng pagbabago ng tuluy-tuloy na manipis na pelikula sa mga nanosized na isla (ginagamit din ang layer-by-layer na deposition ng ilang mga metal;
• pagtitiwalag ng singaw ng kemikal;
• paglubog ng substrate sa solusyon;
• paglalapat ng suspensyon ng mga partikulo ng katalista sa isang substrate;
• paglalapat ng solusyon sa isang umiikot na substrate;
• impregnation ng inert powders na may mga asing-gamot;
• corecipitation ng oxides o hydroxides;
• pagpapalitan ng ion;
• koloidal na pamamaraan (sol-gel process, reverse micelles method);
• thermal decomposition ng mga asing-gamot;
• pagkasunog ng metal nitrates.

Bilang karagdagan sa dalawang grupo na inilarawan sa itaas, isang malaking bilang ng iba pang mga pamamaraan para sa pagkuha ng mga CNT ay binuo. Maaari silang uriin ayon sa mga mapagkukunan ng carbon na ginamit. Ang mga panimulang compound ay: grapayt at iba pang anyo ng solid carbon, organic compounds, inorganic compounds, organometallic compounds. Ang graphite ay maaaring ma-convert sa mga CNT sa maraming paraan: sa pamamagitan ng matinding ball milling na sinusundan ng high-temperature annealing; electrolysis ng mga tinunaw na asing-gamot; paghahati sa magkahiwalay na graphene sheet at kasunod na kusang pag-twist ng mga sheet na ito. Ang amorphous carbon ay maaaring ma-convert sa mga CNT kapag naproseso sa ilalim ng hydrothermal na mga kondisyon. Ang mga CNT ay nakuha mula sa carbon black (soot) sa pamamagitan ng pagbabago ng mataas na temperatura na mayroon o walang mga catalyst, pati na rin sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan sa singaw ng tubig sa ilalim ng presyon. Ang mga istruktura ng nanotubular ay nakapaloob sa mga produkto ng vacuum annealing (1000 tungkol sa C) mga pelikula ng diamante-tulad ng carbon sa pagkakaroon ng isang katalista. Sa wakas, ang catalytic high-temperature transformation ng fullerite C 60o ang paggamot nito sa ilalim ng mga kondisyong hydrothermal ay humahantong din sa pagbuo ng mga CNT.

Ang carbon nanotubes ay umiiral sa kalikasan. Isang grupo ng mga Mexican na mananaliksik ang natagpuan ang mga ito sa mga sample ng langis na kinuha mula sa lalim na 5.6 km (Velasco-Santos, 2003). Ang diameter ng CNT ay mula sa ilang nanometer hanggang sampu-sampung nanometer, at ang haba ay umabot sa 2 μm. Ang ilan sa kanila ay napuno ng iba't ibang nanoparticle.

Paglilinis ng carbon nanotubes

Wala sa mga karaniwang pamamaraan para sa pagkuha ng mga CNT ang nagpapahintulot sa kanila na ihiwalay sa kanilang purong anyo. Ang mga impurities sa NT ay maaaring fullerenes, amorphous carbon, graphitized particle, catalyst particle.

Mayroong tatlong grupo ng mga paraan ng paglilinis ng CNT:

1. nakasisira,
2. hindi mapanira,
3. pinagsama-sama.

Ang mga mapanirang pamamaraan ay gumagamit ng mga reaksiyong kemikal, na maaaring oxidative o reductive, at batay sa mga pagkakaiba sa reaktibiti ng iba't ibang anyo ng carbon. Para sa oksihenasyon, alinman sa mga solusyon ng oxidizing agent o gaseous reagents ay ginagamit; para sa pagbabawas, ginagamit ang hydrogen. Ginagawang posible ng mga pamamaraan na ihiwalay ang mga high-purity na CNT, ngunit nauugnay sa pagkawala ng mga tubo.

Ang mga di-mapanirang pamamaraan ay kinabibilangan ng extraction, flocculation at selective precipitation, cross-flow microfiltration, exclusion chromatography, electrophoresis, selective reaction with organic polymers. Bilang isang patakaran, ang mga pamamaraan na ito ay hindi mabisa at hindi epektibo.

Mga katangian ng carbon nanotubes

Mekanikal. Ang mga nanotubes, gaya ng sinabi, ay isang napakalakas na materyal, kapwa sa pag-igting at sa baluktot. Bukod dito, sa ilalim ng pagkilos ng mga mekanikal na stress na lumalampas sa mga kritikal, ang mga nanotubes ay hindi "nasira", ngunit muling inayos. Batay sa mataas na lakas ng mga katangian ng nanotubes, maaari itong magtalo na sila ang pinakamahusay na materyal para sa isang space elevator tether sa ngayon. Tulad ng ipinapakita ng mga resulta ng mga eksperimento at numerical simulation, ang modulus ng Young ng isang single-layer nanotube ay umabot sa mga halaga ng pagkakasunud-sunod ng 1-5 TPa, na isang order ng magnitude na mas malaki kaysa sa bakal. Ang graph sa ibaba ay nagpapakita ng paghahambing sa pagitan ng single-walled nanotube at high-strength steel.

Ang cable ng space elevator ay tinatantya na makatiis ng mekanikal na stress na 62.5 GPa

Tensile diagram (depende sa mekanikal na stress ? mula sa kamag-anak na pagpahaba?)

Upang ipakita ang makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng kasalukuyang pinakamalakas na materyales at carbon nanotubes, gawin natin ang sumusunod na eksperimento sa pag-iisip. Isipin na, tulad ng ipinapalagay kanina, ang isang tiyak na hugis-wedge na homogenous na istraktura na binubuo ng pinakamatibay na materyales hanggang ngayon ay magsisilbing cable para sa isang space elevator, kung gayon ang diameter ng cable sa GEO (geostationary Earth orbit) ay magiging tungkol sa 2 km at magiging 1 mm sa ibabaw ng Earth. Sa kasong ito, ang kabuuang masa ay magiging 60 * 1010 tonelada. Kung ginamit ang carbon nanotubes bilang materyal, kung gayon ang diameter ng cable sa GEO ay 0.26 mm at 0.15 mm sa ibabaw ng Earth, at samakatuwid ang kabuuang masa ay 9.2 tonelada. Tulad ng makikita mula sa mga katotohanan sa itaas, ang carbon nanofiber ay eksakto ang materyal na kinakailangan upang makabuo ng isang cable, ang aktwal na diameter nito ay magiging mga 0.75 m, upang mapaglabanan din ang electromagnetic system na ginamit upang itulak ang space elevator car.

Electrical. Dahil sa maliit na sukat ng carbon nanotubes, noong 1996 lamang posible na direktang sukatin ang kanilang resistensya sa kuryente gamit ang isang four-prong method.

Ang mga gintong guhit ay idineposito sa isang makintab na ibabaw ng silicon oxide sa isang vacuum. Ang mga nanotubes na 2–3 µm ang haba ay idineposito sa pagitan nila. Pagkatapos, apat na konduktor ng tungsten na 80 nm ang kapal ay idineposito sa isa sa mga nanotubes na pinili para sa pagsukat. Ang bawat isa sa mga konduktor ng tungsten ay may kontak sa isa sa mga gintong piraso. Ang distansya sa pagitan ng mga contact sa nanotube ay mula 0.3 hanggang 1 μm. Ang mga resulta ng mga direktang sukat ay nagpakita na ang resistivity ng nanotubes ay maaaring mag-iba sa loob ng isang makabuluhang hanay - mula sa 5.1 * 10 -6hanggang sa 0.8 ohm/cm. Ang pinakamababang resistivity ay isang order ng magnitude na mas mababa kaysa sa grapayt. Karamihan sa mga nanotubes ay may metallic conductivity, habang ang mas maliit na bahagi ay nagpapakita ng mga katangian ng isang semiconductor na may band gap na 0.1 hanggang 0.3 eV.

Natuklasan ng mga mananaliksik ng Pranses at Ruso (mula sa IPTM RAS, Chernogolovka) ang isa pang pag-aari ng nanotubes, na superconductivity. Sinukat nila ang kasalukuyang-boltahe na mga katangian ng isang indibidwal na single-walled nanotube na may diameter na ~1 nm, na pinagsama sa isang bundle ng isang malaking bilang ng mga single-walled nanotubes, pati na rin ang mga indibidwal na multilayer nanotubes. Ang isang superconducting kasalukuyang sa isang temperatura na malapit sa 4K ay na-obserbahan sa pagitan ng dalawang superconducting metal contact. Ang mga tampok ng paglilipat ng singil sa isang nanotube ay mahalagang naiiba mula sa mga likas sa ordinaryong, tatlong-dimensional na konduktor at, tila, ay ipinaliwanag ng isang-dimensional na katangian ng paglilipat.

Gayundin, natuklasan ni de Girom mula sa Unibersidad ng Lausanne (Switzerland) ang isang kawili-wiling pag-aari: isang matalim (tungkol sa dalawang mga order ng magnitude) na pagbabago sa kondaktibiti na may maliit, sa pamamagitan ng 5-10o, baluktot ng isang solong-layer nanotube. Maaaring palawakin ng property na ito ang saklaw ng nanotubes. Sa isang banda, ang nanotube ay lumalabas na isang handa na napakasensitibong converter ng mga mekanikal na panginginig ng boses sa isang electrical signal at vice versa (sa katunayan, ito ay isang receiver ng telepono na ilang microns ang haba at halos isang nanometer ang lapad), at , sa kabilang banda, ito ay isang halos handa na sensor ng pinakamaliit na mga pagpapapangit. Maaaring gamitin ang naturang sensor sa mga device na sumusubaybay sa estado ng mga mekanikal na bahagi at bahagi kung saan nakasalalay ang kaligtasan ng mga tao, halimbawa, mga pasahero ng mga tren at sasakyang panghimpapawid, mga tauhan ng nuclear at thermal power plant, atbp.

Capillary. Ipinakita ng mga eksperimento na ang isang bukas na nanotube ay may mga katangian ng capillary. Upang buksan ang isang nanotube, kinakailangan upang alisin ang itaas na bahagi - ang takip. Ang isang paraan upang alisin ay ang pag-anneal ng mga nanotube sa temperatura na 850 0C sa loob ng ilang oras sa isang stream ng carbon dioxide. Bilang resulta ng oksihenasyon, halos 10% ng lahat ng nanotubes ay bukas. Ang isa pang paraan upang sirain ang mga saradong dulo ng nanotubes ay ang pagkakalantad sa puro nitric acid sa loob ng 4.5 oras sa temperatura na 2400 C. Bilang resulta ng paggamot na ito, 80% ng mga nanotubes ay naging bukas.

Ang mga unang pag-aaral ng mga capillary phenomena ay nagpakita na ang isang likido ay tumagos sa nanotube channel kung ang pag-igting sa ibabaw nito ay hindi mas mataas kaysa sa 200 mN/m. Samakatuwid, upang ipakilala ang anumang mga sangkap sa nanotubes, ginagamit ang mga solvent na may mababang pag-igting sa ibabaw. Halimbawa, ang concentrated nitric acid, ang tensyon sa ibabaw na kung saan ay mababa (43 mN/m), ay ginagamit upang ipasok ang ilang mga metal sa nanotube channel. Pagkatapos ang pagsusubo ay isinasagawa sa 4000 C sa loob ng 4 na oras sa isang hydrogen na kapaligiran, na humahantong sa pagbawas ng metal. Sa ganitong paraan, nakuha ang mga nanotubes na naglalaman ng nickel, cobalt, at iron.

Kasama ng mga metal, ang carbon nanotubes ay maaaring punuin ng mga gas na sangkap, tulad ng molecular hydrogen. Ang kakayahang ito ay praktikal na kahalagahan, dahil ito ay nagbubukas ng posibilidad ng ligtas na pag-iimbak ng hydrogen, na maaaring magamit bilang isang environment friendly na gasolina sa mga panloob na combustion engine. Gayundin, ang mga siyentipiko ay nakapaglagay ng isang buong kadena ng fullerenes na may mga gadolinium atoms na naka-embed sa kanila (tingnan ang Fig. 5).

kanin. 5. Sa loob ng C60 sa loob ng single-walled nanotube

Mga epekto ng capillary at pagpuno ng mga nanotubes

nanotube carbon pyrolysis electric arc

Di-nagtagal pagkatapos ng pagtuklas ng mga carbon nanotubes, ang atensyon ng mga mananaliksik ay naaakit ng posibilidad ng pagpuno ng mga nanotubes ng iba't ibang mga sangkap, na hindi lamang ng pang-agham na interes, kundi pati na rin ng malaking kahalagahan para sa mga inilapat na problema, dahil ang isang nanotube ay puno ng conducting, semiconducting. o superconducting na materyal ay maaaring ituring bilang ang pinakamaliit sa lahat ng kilalang nanotubes.kasalukuyang elemento ng microelectronics. Ang pang-agham na interes sa problemang ito ay nauugnay sa posibilidad na makakuha ng isang eksperimento na napatunayan na sagot sa tanong: sa anong mga minimum na sukat ang mga capillary phenomena ay nagpapanatili ng kanilang mga tampok na likas sa mga macroscopic na bagay? Sa unang pagkakataon, ang problemang ito ay isinasaalang-alang sa problema ng pagbawi ng isang molekula ng HP sa loob ng nanotubes sa ilalim ng pagkilos ng mga puwersa ng polariseysyon. Ipinakita na ang mga capillary phenomena na humahantong sa pagguhit ng mga likido na nagbasa sa panloob na ibabaw ng tubo patungo sa capillary ay nagpapanatili ng kanilang likas na katangian sa paglipat sa nanometer-diameter tubes.

Ang mga capillary phenomena sa carbon nanotubes ay unang eksperimento na isinagawa sa isang gawain kung saan ang epekto ng capillary retraction ng molten lead sa nanotubes ay naobserbahan. Sa eksperimentong ito, ang isang electric arc na inilaan para sa synthesis ng nanotubes ay nag-apoy sa pagitan ng mga electrodes na may diameter na 0.8 at isang haba na 15 cm sa isang boltahe ng 30 V at isang kasalukuyang ng 180-200 A. Isang layer ng materyal na 3-4 cm mataas na nabuo sa ibabaw ng katod bilang isang resulta ng thermal pagkawasak ng anode ibabaw ay inalis mula sa silid at pinananatiling para sa 5 h sa T = 850 ° C sa isang daloy ng carbon dioxide. Ang operasyon na ito, bilang isang resulta kung saan nawala ang sample ng halos 10% ng masa, ay nag-ambag sa paglilinis ng sample mula sa mga particle ng amorphous graphite at ang pagtuklas ng mga nanotubes sa precipitate. Ang gitnang bahagi ng precipitate na naglalaman ng nanotubes ay inilagay sa ethanol at sonicated. Ang produktong oksihenasyon na dispersed sa chloroform ay inilapat sa isang carbon tape na may mga butas para sa pagmamasid gamit ang isang electron microscope. Tulad ng ipinakita ng mga obserbasyon, ang mga tubo na hindi sumailalim sa pagproseso ay may tuluy-tuloy na istraktura, mga ulo ng tamang hugis at diameter na 0.8 hanggang 10 nm. Bilang resulta ng oksihenasyon, humigit-kumulang 10% ng mga nanotubes ay lumabas na may mga nasira na takip, at ang ilan sa mga layer na malapit sa itaas ay napunit. Ang isang sample na naglalaman ng mga nanotubes na nilayon para sa pagmamasid ay napuno ng vacuum na may mga patak ng tinunaw na tingga, na nakuha sa pamamagitan ng pag-irradiate ng isang metal na ibabaw na may isang electron beam. Sa kasong ito, ang mga patak ng lead na 1 hanggang 15 nm ang laki ay naobserbahan sa panlabas na ibabaw ng nanotubes. Ang mga nanotubes ay na-annealed sa hangin sa Т = 400 ° С (sa itaas ng natutunaw na punto ng lead) sa loob ng 30 min. Tulad ng mga resulta ng mga obserbasyon na ginawa sa tulong ng isang electron microscope ay nagpapakita, pagkatapos ng pagsusubo ng ilan sa mga nanotubes ay naging puno ng isang solidong materyal. Ang isang katulad na epekto ng pagpuno ng mga nanotubes ay naobserbahan kapag ang mga ulo ng mga tubo ay nagbukas bilang isang resulta ng pagsusubo ay na-irradiated na may isang malakas na electron beam. Sa isang sapat na malakas na pag-iilaw, ang materyal na malapit sa bukas na dulo ng tubo ay natutunaw at tumagos sa loob. Ang pagkakaroon ng lead sa loob ng mga tubo ay itinatag ng X-ray diffraction at electron spectroscopy. Ang diameter ng pinakamanipis na lead wire ay 1.5 nm. Ayon sa mga resulta ng mga obserbasyon, ang bilang ng mga napuno na nanotubes ay hindi lalampas sa 1%.

Pagtuturo

Kailangan ng tulong sa pag-aaral ng isang paksa?

Ang aming mga eksperto ay magpapayo o magbibigay ng mga serbisyo sa pagtuturo sa mga paksang interesado ka.
Magsumite ng isang application na nagpapahiwatig ng paksa ngayon upang malaman ang tungkol sa posibilidad ng pagkuha ng konsultasyon.