الأنابيب النانوية الكربونية وإنتاجها وخصائصها وتطبيقاتها. الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار الإكسيتونات والإكسيتونات الحيوية في الأنابيب النانوية

فئة أخرى من العناقيد كانت عبارة عن تكوينات كربون أسطوانية ممدودة ، والتي سميت فيما بعد ، بعد توضيح هيكلها ، " أنابيب الكربون النانوية(CNTs). إن الأنابيب النانوية الكربونية هي جزيئات كبيرة ، وأحيانًا كبيرة جدًا (أكثر من 10 6 ذرات) جزيئات مبنية من ذرات الكربون.

عادي مخطط هيكلييتم عرض CNT أحادي الجدار ونتيجة حساب الكمبيوتر لمداراتها الجزيئية في التين. 3.1 عند رؤوس جميع الأشكال السداسية والخماسية التي تصورها الخطوط البيضاء ، توجد ذرات كربون في حالة تهجين sp 2. لجعل هيكل إطار CNT مرئيًا بوضوح ، لا تظهر ذرات الكربون هنا. لكن ليس من الصعب تخيلها. تُظهر النغمة الرمادية منظر المدارات الجزيئية للسطح الجانبي لأنابيب الكربون النانوية.

الشكل 3.1

تُظهر النظرية أنه يمكن تخيل بنية السطح الجانبي لـ CNT أحادي الجدار كطبقة واحدة من الجرافيت ملفوفة في أنبوب. من الواضح أنه لا يمكن لف هذه الطبقة إلا في تلك الاتجاهات التي تتحقق فيها محاذاة الشبكة السداسية مع نفسها عندما يكون السطح الأسطواني مغلقًا. لذلك ، تحتوي الأنابيب النانوية الكربونية على مجموعة معينة من الأقطار ويتم تصنيفها علىمتجهات تشير إلى اتجاه طي الشبكة السداسية. يعتمد كل من المظهر والاختلافات في خصائص الأنابيب النانوية الكربونية على هذا. يتم عرض ثلاثة خيارات نموذجية في الشكل 3.2.

تتداخل مجموعة من أقطار CNT المحتملة نطاقمن أقل بقليل من 1 نانومتر إلى عشرات النانومترات. لكن الطوليمكن أن تصل الأنابيب النانوية الكربونية إلى عشرات الميكرومترات. سجل علىلقد تجاوزت أطوال الأنابيب النانوية الكربونية بالفعل حد 1 مم.

بما فيه الكفاية CNTs طويلة (متى الطولأكبر بكثير من القطر) بلورة أحادية البعد. من الممكن تحديد "خلية أولية" عليها ، والتي تتكرر عدة مرات على طول محور الأنبوب. وينعكس هذا في بعض خصائص الأنابيب النانوية الكربونية الطويلة.

اعتمادًا على ناقل طي طبقة الجرافيت (يقول الخبراء: "from شرالية") يمكن أن تكون الأنابيب النانوية موصلات وأشباه موصلات على حد سواء. تتميز الأنابيب النانوية الكربونية لما يسمى بهيكل" السرج "دائمًا بموصلية كهربائية عالية" معدنية ".

أرز. 3.2

يمكن أن تكون "الأغطية" التي تغلق الأنابيب النانوية الكربونية في النهايات مختلفة أيضًا. لديهم شكل "نصفي" من الفوليرينات المختلفة. خياراتهم الرئيسية موضحة في الشكل. 3.3

أرز. 3.3 المتغيرات الرئيسية لـ "أغطية" CNT ذات جدار واحد

هناك أيضا متعدد الطبقات CNTs. يبدو بعضها وكأنه طبقة من الجرافيت ملفوفة في لفيفة. لكن الغالبية تتكون من أنابيب أحادية الطبقة يتم إدخالها في الأخرى ، مترابطة بواسطة قوى فان دير فال. إذا الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدارغالبًا ما يتم إغلاقها بأغطية ، إذن متعدد الطبقات CNTsهي أيضًا مفتوحة جزئيًا. عادةً ما تظهر عيوبًا هيكلية صغيرة أكثر بكثير من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار. لذلك ، بالنسبة للتطبيقات في مجال الإلكترونيات ، يتم إعطاء الأفضلية للأخير.

لا تنمو الأنابيب النانوية الكربونية بشكل مستقيم فحسب ، بل تنمو أيضًا بشكل منحني ، وتنحني لتشكيل "ركبة" ، وحتى مطوية تمامًا على شكل نوع من الطارة. في كثير من الأحيان ، ترتبط العديد من الأنابيب النانوية الكربونية ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض وتشكل حزمًا.

المواد المستخدمة للأنابيب النانوية

يتبع تطوير طرق تخليق الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) مسار خفض درجات حرارة التوليف. بعد إنشاء تقنية إنتاج الفوليرينات ، وجد أنه أثناء تبخر القوس الكهربائي لأقطاب الجرافيت ، إلى جانب تكوين الفوليرينات ، تتشكل هياكل أسطوانية ممتدة. كان عالم الميكروسكوب سوميو إيجيما ، باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) ، أول من حدد هذه الهياكل على أنها أنابيب نانوية. تشمل طرق درجات الحرارة العالية لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية طريقة القوس الكهربائي. إذا تم تبخير قضيب الجرافيت (الأنود) في قوس كهربائي ، فإن تراكم الكربون الصلب (الرواسب) يتشكل على القطب المعاكس (الكاثود) في قلبه الناعم الذي يحتوي على الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران بقطر 15– 20 نانومتر وطولها أكثر من 1 ميكرومتر.

تمت ملاحظة تكوين الأنابيب النانوية الكربونية من سخام الفوليرين تحت تأثير حراري عالي الحرارة على السخام لأول مرة من قبل مجموعتي أوكسفورد والسويسرية. يعتبر تركيب تركيب القوس الكهربائي كثيفًا للمعادن ويستهلك الطاقة ، ولكنه عالمي للحصول على أنواع مختلفة من المواد النانوية الكربونية. مشكلة كبيرة هي عدم توازن العملية أثناء احتراق القوس. استبدلت طريقة القوس الكهربائي في وقت واحد طريقة التبخير بالليزر (الاستئصال) بشعاع الليزر. وحدة الاجتثاث هي فرن تسخين تقليدي مقاوم يعطي درجة حرارة 1200 درجة مئوية. للحصول على درجات حرارة أعلى فيه ، يكفي وضع هدف كربوني في الفرن وتوجيه شعاع ليزر إليه ، مع مسح سطح الهدف بالكامل بالتناوب. لذا ، فإن مجموعة Smalley ، التي استخدمت تركيبات باهظة الثمن مع ليزر قصير النبض ، حصلت على الأنابيب النانوية في عام 1995 ، "مما يبسط بشكل كبير" تقنية تركيبها.

ومع ذلك ، ظل إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية منخفضًا. أدى إدخال إضافات صغيرة من النيكل والكوبالت (0.5 في.٪) إلى الجرافيت إلى زيادة إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية إلى 70-90٪. منذ تلك اللحظة ، بدأت مرحلة جديدة في مفهوم آلية تشكيل الأنابيب النانوية. أصبح من الواضح أن المعدن هو محفز للنمو. وهكذا ، ظهرت الأعمال الأولى على إنتاج الأنابيب النانوية بطريقة درجات الحرارة المنخفضة - بطريقة الانحلال الحراري التحفيزي للهيدروكربونات (CVD) ، حيث تم استخدام جزيئات من معدن مجموعة الحديد كعامل مساعد. أحد الخيارات لتركيب إنتاج الأنابيب النانوية والألياف النانوية بطريقة CVD هو مفاعل يتم فيه توفير غاز حامل خامل ، والذي يحمل المحفز والهيدروكربون إلى منطقة درجة الحرارة المرتفعة.

مبسط ، آلية نمو CNT على النحو التالي. يذوب الكربون المتكون أثناء التحلل الحراري للهيدروكربون في الجسيمات النانوية المعدنية. عندما يتم الوصول إلى تركيز عالٍ من الكربون في الجسيم ، على أحد أوجه جسيم المحفز ، يحدث "إطلاق" مواتٍ للطاقة من الكربون الزائد في شكل غطاء شبه مائي مشوه. هذه هي الطريقة التي يولد بها الأنبوب النانوي. يستمر الكربون المتحلل في دخول جسيم المحفز ، ومن أجل إطلاق فائض تركيزه في المصهور ، يجب التخلص منه باستمرار. يحمل نصف الكرة الصاعد (semifullerene) من سطح المصهور معه الكربون الزائد المذاب ، الذي تشكل ذراته خارج الذوبان رابطة C-C ، وهي عبارة عن إطار أسطواني - أنبوب نانوي.

درجة حرارة انصهار الجسيم في حالة النانو تعتمد على نصف قطرها. كلما كان نصف القطر أصغر ، انخفضت نقطة الانصهار بسبب تأثير جيبس-طومسون. لذلك ، فإن جسيمات الحديد النانوية التي يبلغ حجمها حوالي 10 نانومتر تكون في حالة منصهرة أقل من 600 درجة مئوية. حتى الآن ، تم إجراء توليف درجات الحرارة المنخفضة لأنابيب الكربون النانوية عن طريق الانحلال الحراري التحفيزي للأسيتيلين في وجود جزيئات الحديد عند 550 درجة مئوية. خفض درجة حرارة التوليف له أيضًا عواقب سلبية. في درجات الحرارة المنخفضة ، يتم الحصول على الأنابيب النانوية الكربونية ذات القطر الكبير (حوالي 100 نانومتر) وهيكل معيب بشدة مثل "الخيزران" أو "النانو متداخلة". تتكون المواد الناتجة من الكربون فقط ، لكنها لا تقترب حتى من الخصائص غير العادية (على سبيل المثال ، معامل يونغ) التي لوحظت في الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار التي تم الحصول عليها عن طريق الاستئصال بالليزر أو تركيب القوس الكهربائي.

يُعتقد أن مكتشف الأنابيب النانوية الكربونية هو موظف في الشركة اليابانية NEC Sumio Iijima ، الذي لاحظ في عام 1991 هياكل الأنابيب النانوية متعددة الطبقات عند دراسة الترسبات تحت المجهر الإلكتروني ، والتي تشكلت أثناء تخليق الأشكال الجزيئية للكربون النقي. هيكل خلوي.

تصنيف

يعتمد التصنيف الرئيسي للأنابيب النانوية على عدد الطبقات المكونة لها.

الأنابيب النانوية أحادية الجدار(الأنابيب النانوية أحادية الجدار ، SNWTs) - أبسط أنواع الأنابيب النانوية. يبلغ قطر معظمها حوالي 1 نانومتر ويمكن أن يصل طولها إلى آلاف المرات. يمكن تمثيل بنية الأنابيب النانوية أحادية الجدار على أنها "غلاف" لشبكة سداسية من الجرافيت (الجرافين) ، والتي تعتمد على أشكال سداسية ذات ذرات كربون تقع في رؤوس الأركان ، في أسطوانة غير ملحومة. يتم إغلاق الأطراف العلوية للأنابيب بأغطية نصف كروية ، تتكون كل طبقة منها من أشكال سداسية وخماسية ، تشبه بنية نصف جزيء فوليرين.

الشكل 1. تمثيل رسومي لأنبوب نانوي أحادي الطبقة

الأنابيب النانوية متعددة الطبقات(الأنابيب النانوية متعددة الجدران ، MWNTs) تتكون من عدة طبقات من الجرافين مكدسة على شكل أنبوب. تبلغ المسافة بين الطبقات 0.34 نانومتر ، أي نفس المسافة بين الطبقات في الجرافيت البلوري.

هناك نوعان من النماذج المستخدمة لوصف هيكلها. يمكن أن تكون الأنابيب النانوية متعددة الطبقات عبارة عن عدة أنابيب نانوية أحادية الطبقة متداخلة داخل بعضها البعض (ما يسمى "ماتريوشكا"). في حالة أخرى ، تلتف "ورقة" واحدة من الجرافين حول نفسها عدة مرات ، وهو ما يشبه تمرير الورق أو الجريدة (نموذج "المخطوطات").

الشكل 2. صورة بيانية لأنبوب نانوي متعدد الطبقات (نموذج ماتريوشكا)

طرق التوليف

الطرق الأكثر شيوعًا لتركيب الأنابيب النانوية هي طريقة القوس الكهربائي ، والاستئصال بالليزر ، وترسيب البخار الكيميائي (CVD).

تفريغ القوس -يكمن جوهر هذه الطريقة في إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية في حرق بلازما التفريغ القوسي في جو الهيليوم في التركيبات التكنولوجية لإنتاج الفوليرين. ومع ذلك ، يتم استخدام أنماط أخرى من الانحناء هنا: كثافة تيار منخفضة لتفريغ القوس ، ارتفاع ضغط الهيليوم (~ 500 تور) ، كاثودات ذات قطر أكبر.

لزيادة إنتاج الأنابيب النانوية في منتجات الرش ، يتم إدخال محفز (خليط من معادن مجموعة الحديد) في قضيب الجرافيت ، ويتم تغيير ضغط الغاز الخامل ووضع الرش.

يصل محتوى الأنابيب النانوية في رواسب الكاثود إلى 60٪. تنمو الأنابيب النانوية الناتجة التي يصل طولها إلى 40 ميكرومتر من القطب السالب عموديًا على سطحه وتتحد في عوارض أسطوانية يبلغ قطرها حوالي 50 كم.

الاستئصال بالليزر

اخترع ريتشارد سمالي وجامعة رايس هذه الطريقة ، وهي تعتمد على تبخر هدف من الجرافيت في مفاعل ذي درجة حرارة عالية. تظهر الأنابيب النانوية على السطح المبرد للمفاعل كمكثف لتبخر الجرافيت. يمكن تضمين السطح المبرد بالماء في نظام تجميع الأنابيب النانوية.

يبلغ عائد المنتج في هذه الطريقة حوالي 70٪. بفضل مساعدتها ، يتم الحصول على أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار في الغالب بقطر تتحكم فيه درجة حرارة التفاعل. ومع ذلك ، فإن تكلفة هذه الطريقة أغلى بكثير من غيرها.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD)

تم اكتشاف طريقة ترسيب بخار الكربون التحفيزي في عام 1959 ، ولكن حتى عام 1993 لم يفترض أحد أنه يمكن الحصول على الأنابيب النانوية في هذه العملية.

في عملية هذه الطريقة ، يتم تحضير الركيزة بطبقة محفز - جزيئات معدنية (غالبًا من النيكل أو الكوبالت أو الحديد أو توليفات منها). يعتمد قطر الأنابيب النانوية التي تنمو بهذه الطريقة على حجم جزيئات المعدن.

يتم تسخين الركيزة إلى ما يقرب من 700 درجة مئوية. لبدء نمو الأنابيب النانوية ، يتم إدخال نوعين من الغازات في المفاعل: غاز المعالجة (على سبيل المثال ، الأمونيا ، النيتروجين ، الهيدروجين ، إلخ) والغاز المحتوي على الكربون (الأسيتلين ، الإيثيلين ، الإيثانول ، الميثان ، إلخ). تبدأ الأنابيب النانوية في النمو في مواقع المحفزات المعدنية.

هذه الآلية هي الطريقة التجارية الأكثر شيوعًا لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية. من بين الطرق الأخرى للحصول على الأنابيب النانوية ، تعد CVD هي الطريقة الواعدة على المستوى الصناعي نظرًا لأفضل نسبة من حيث سعر الوحدة. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يجعل من الممكن الحصول على الأنابيب النانوية الموجهة رأسياً على الركيزة المرغوبة دون تجميع إضافي ، فضلاً عن التحكم في نموها عن طريق محفز.

مجالات الاستخدام

تشكل الأنابيب النانوية الكربونية ، جنبًا إلى جنب مع الفوليرينات وهياكل الكربون متوسطة المسام ، فئة جديدة من المواد النانوية الكربونية ، أو هياكل هيكل الكربون ، بخصائص تختلف اختلافًا كبيرًا عن الأشكال الأخرى للكربون مثل الجرافيت والماس. ومع ذلك ، فإن الأنابيب النانوية هي الأكثر واعدة من بينها.

هل أنت مهتم بأعمال المواد النانوية؟ إذن قد تكون مهتمًا

تم اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار في عام 1993. تم نشر مقالين في وقت واحد في عدد واحد من المجلة طبيعة، حيث نشر باحثون من اليابان Ichihashi و Sumio Iijima ، وكذلك علماء من شركة IBM ، نتائج حول إمكانية تصنيع أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار باستخدام محفزات معدنية. الأنابيب النانوية الكربونية هي أبطال وأبطال من بين مواد أخرى.

ضع في اعتبارك الخصائص الفيزيائية. التوصيل. الموصلية الكهربائية للأنابيب النانوية الكربونية أعلى بكثير من الموصلية الكهربائية للنحاس والفضة. بالإضافة إلى ذلك ، لوحظ التوصيل الباليستي على مسافة عدة ميكرومتر. من ناحية أخرى ، تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية مادة رائعة شبه موصلة يمكن مقارنتها بالسيليكون من حيث خصائصها. باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار ، من الممكن الحصول على ترانزستورات يتجاوز فيها تنقل حاملات الشحنة بشكل كبير الحركة في ترانزستورات السيليكون التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، تتيح الأنابيب النانوية أحادية الجدار الحصول على ترانزستورات على ركائز مرنة وشفافة. تتميز الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار بخصائص حرارية ملحوظة ، أفضل من تلك الخاصة بالماس: الموصلية الحرارية في الأنابيب أعلى بحوالي مرتين. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار هي مصدر فعال للإلكترونات الباردة.

الثبات الحراري للأنابيب النانوية الكربونية مرتفع جدًا: يمكنك ، دون خوف من تدميرها ، تسخين حتى 1500 درجة مئوية ، بينما يبدأ منافسها الرئيسي - الموصلات العضوية - في الانهيار بالفعل عند درجة حرارة حوالي 150 درجة مئوية. الأنابيب النانوية الكربونية مادة خفيفة للغاية. من ناحية أخرى ، فهي تتمتع بقوة محددة عالية - 25 مرة أعلى من تلك الموجودة في الفولاذ عالي القوة. هذه هي المادة الوحيدة تقريبًا التي يمكن من خلالها إنشاء مصعد فضائي ، يربط قمرًا صناعيًا يدور في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض مع الأرض ، على شكل كابل ، يمكن من خلاله رفع الأحمال إلى الفضاء. تجعل إضافات الأنابيب النانوية الكربونية للبوليمرات من الممكن الحصول على مركبات تتغير فيها الخصائص الميكانيكية ، ويتم الحصول على مواد مركبة قوية جدًا ، والتي تختلف فيها الموصلية الكهربائية أيضًا. إذا كانت المادة مغطاة بطبقة من الأنابيب النانوية الكربونية ، فيمكن الحصول على طبقة تحمي وتحمي المادة من الموجات الكهرومغناطيسية.

ماذا يمكن أن يقال عن تطبيقات الطاقة: يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كقطب موجب في بطاريات الليثيوم ، كمكثفات فائقة ، بالإضافة إلى أنها عناصر فعالة في الخلايا الشمسية - على الأصباغ ، وكذلك في التوصيلات غير المتجانسة ، حيث السيليكون π- تم استبدال طبقة الأنابيب النانوية أحادية الجدار. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن صنع أجهزة استشعار بصرية وغازية متنوعة ذات نطاق طيفي واسع إلى حد ما من الأنابيب النانوية الكربونية. يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كأقطاب كهربائية وترانزستورات شفافة. أود أن أتحدث عن هذا بمزيد من التفصيل ، لكن لاحقًا.

أود التحدث عن موصلية الأنابيب النانوية الكربونية. كما قلت ، الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار هي موصل معدني جيد وأشباه موصلات رائعة. يتم تحديد نوع الموصلية بواسطة مجموعة التماثل. إذا عرفنا مؤشرات chirality ، فيمكننا التنبؤ بالخصائص المعدنية لأنبوب الكربون النانوي. إذا كان الفرق بين هذه المؤشرات صفرًا أو مضاعفًا لـ 3 ، فإننا نحصل على أنابيب نانوية كربونية لها خصائص معدنية ، بينما ستكون جميع الأنابيب النانوية الأخرى من أشباه الموصلات. من الواضح أن 1/3 الأنابيب النانوية الكربونية معدنية و 2/3 من أشباه الموصلات. لسوء الحظ ، لا تسمح أي من الطرق المتاحة حاليًا بتركيب الأنابيب النانوية الكربونية بتزاوج معين. ماذا نقول عن chirality - من المستحيل الحصول على أنابيب الكربون النانوية حتى مع وجود معدن معين.

وفقًا لطرق الانحلال الكربوني ، يمكن تقسيم جميع طرق تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية إلى مواد فيزيائية وكيميائية. تعتمد الطريقة الفيزيائية على تبخر وتسامي الكربون. نعلم أن الجرافيت له ضغط بخار منخفض جدًا ، لذلك لكي يتبخر الجرافيت ، يجب تسخينه إلى درجات حرارة أعلى من 3000 كلفن. يمكن استخدام الطاقة الشمسية أو التسخين التعريفي أو الاستئصال بالليزر أو تفريغ القوس الكهربائي لهذا الغرض. كانت هذه الطريقة شائعة جدًا في الأيام الأولى لأبحاث الأنابيب النانوية الكربونية ، ولكن لسوء الحظ ، لا تسمح درجات الحرارة المرتفعة للفرد بالتحكم في خصائص المادة الناتجة. لذلك ، كان هناك اتجاه في السنوات الأخيرة نحو دراسة الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار - بتعبير أدق ، طرق إنتاجها - بالطرق الكيميائية. تعتمد هذه الطريقة على تحلل مركبات الكربون - يمكن أن تكون هيدروكربونات ، كحول ، كيتونات ، أي عضوي ، أول أكسيد الكربون.

في المقابل ، سأقسم الطرق الكيميائية إلى تركيب الأنابيب النانوية الكربونية على الركائز وفي الطور الغازي. يعد تركيب الأنابيب النانوية الكربونية على ركائز الطريقة الأكثر شيوعًا. يسمح لك بالحصول على الأنابيب النانوية الكربونية: يمكنك أن تأخذ ركيزة خاملة ، وتشكل جزيئات نانوية محفزة عليها ، وتضع مثل هذه الركيزة في مفاعل لفترة زمنية معينة (عادةً 5 ، 10 ، 20 أو 30 دقيقة) ، ثم الاستمتاع بالصور التي تم الحصول عليها على الركيزة الخاصة بك في المجهر الإلكتروني. من ناحية أخرى ، لا تعتمد طريقة الهباء على استخدام الركيزة ، وتحدث جميع عمليات تكوين الأنابيب النانوية الكربونية في الطور الغازي. هناك حد زمني خطير هنا ، حيث تنقضي حوالي 10-12 ثانية بين إدخال وإخراج البخار في المفاعل. خلال هذا الوقت ، يجب أن يحدث كل شيء: تحلل المادة الحفازة (عادةً ما يتم استخدام خماسي كربونيل الحديد أو فيروسين في مثل هذه الطرق) ، ثم تكوين جسيمات حفزية بحجم نانومتر ، من 1 إلى 5 نانومتر ، تحلل أو تحلل الكربون المكونات الموجودة على سطح المحفز ونمو الأنابيب النانوية الكربونية. كل شيء يستغرق 12 ثانية.

تم اقتراح طريقة الهباء الجوي لدراسة الأنابيب النانوية الكربونية لأول مرة في عام 1999 في جامعة هيوستن. لقد شاركت أيضًا في تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية بطريقة الهباء الجوي لمدة 13 عامًا تقريبًا. أعتقد أن هذه الطريقة هي الأكثر واعدة على الإطلاق ، لأنها تسمح بالحصول على أنابيب نانوية كربونية عالية الجودة بدون جزيئات محفزة غير مستخدمة ، بدون كربون غير متبلور ، أي منتج جاهز للاستخدام على نطاق واسع عندما يغادر المفاعل. بعد المفاعل ، يتم ترسيب الأنابيب النانوية الكربونية على مرشح. ثم يمكن نقلهم إلى أي ركيزة أخرى. تستغرق هذه العملية حرفيًا بضع ثوانٍ ، ولكنها تتيح لك الحصول بسرعة كبيرة على أقطاب كهربائية شفافة عالية الجودة.

في عملنا ، استخدمنا الأنابيب النانوية الكربونية في العديد من المجالات ، من المرشحات إلى الإلكترونيات. سأقدم بعض الأمثلة. مرشحات الهباء الجوي. من خلال فيلم من الأنابيب النانوية الكربونية ، يمر تيار غاز يحتوي على جزيئات الهباء الجوي التي نريد التخلص منها بسهولة تامة دون خلق مقاومة. بالإضافة إلى ذلك ، تجعل المسامات النانوية من الممكن تصفية جميع الكائنات تقريبًا. قمنا بقياس خصائص هذا المرشح ووجدنا أن عامل جودة المرشحات المصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار أعلى بترتيب من حيث الحجم من نظائرها المتاحة تجاريًا. بالإضافة إلى ذلك ، استخدمنا الأنابيب النانوية الكربونية كمستشعرات كهروكيميائية - سمحت لنا اختبارات الدوبامين القياسية بتحديد مستوى حساسية أقل من 100 ميلينانومول على نطاق واسع إلى حد ما - حوالي 4 أوامر من حيث التركيز. فيلم الأنبوب النانوي الكربوني عبارة عن ممتص ليزر رائع يسمح للشخص بالحصول على 200 نبضة فيمتوثانية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كمقياس تدفق ، وسخان هواء ، ومصباح متوهج ، وأجهزة أخرى. لقد أنشأنا أيضًا مكبر صوت حراري باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية المعلقة بحرية. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع الأقطاب الكهربائية الشفافة بخصائص ممتازة ، والتي أعتقد أنها ستطرح في السوق قريبًا ، لأن الأقطاب الكهربائية الشفافة القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار لها خصائص ممتازة ، يمكن مقارنتها بأكسيد الإنديوم المشبع بالقصدير.

يمكن على الأرجح استخدام الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار في الإلكترونيات كأقطاب كهربائية شفافة. في اللغة الإنجليزية يطلق عليه استبدال ITO- استبدال أكسيد الإنديوم المشبع بالقصدير ، وهي المادة المستخدمة في 75٪ من الهواتف المحمولة والأدوات. من المعروف أن الإنديوم مادة أرضية نادرة ، بالإضافة إلى أن أكسيد الإنديوم المشبع بالقصدير مادة هشة إلى حد ما لا يمكن استخدامها للإلكترونيات المرنة والشفافة ، في حين أن الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار ، والأغشية المصنوعة منها بدقة أكثر ، يمكن تنحني إلى عدة عشرات الآلاف من المرات دون أي تغيير في مقاومة السطح تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تصنيع الترانزستورات ذات التأثير الميداني ذي الأغشية الرقيقة من مادتنا ، والتي تتميز بخصائص رائعة على مستوى تقنيات السيليكون التقليدية ، بل وتتجاوزها أحيانًا ، بمعدل تيار متقطع يبلغ 106 و 108 ومع حاملة الشحنة بترتيب 1000 أو أكثر من السنتيمتر المربع لكل فولت.لثانية.

تعتبر طريقة الهباء الجوي لتخليق الأنابيب النانوية الكربونية وتحضير الأغشية المودعة على المرشح فرصة فريدة لإعداد مكونات للإلكترونيات المرنة والشفافة. يحدث الترسيب في درجة حرارة الغرفة ، هذه التقنية لا تتطلب فراغ ، فهي سريعة ورخيصة الثمن. هدفنا هو إنشاء إنتاج واسع النطاق للأنابيب النانوية الكربونية مع إمكانية استخدام تقنية اللفائف لاستخدامها في الإلكترونيات المرنة والشفافة.

الأنابيب النانوية الكربونية هي المادة التي يحلم بها العديد من العلماء. عامل القوة العالية ، والتوصيل الحراري والكهربائي الممتاز ، ومقاومة اللهب وعامل الوزن هو ترتيب من حيث الحجم أعلى من معظم المواد المعروفة. الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن صفائح من الجرافين ملفوفة في أنبوب. حصل العالمان الروسيان كونستانتين نوفوسيلوف وأندريه جيم على جائزة نوبل في عام 2010 لاكتشافهما.

لأول مرة ، تمكن العلماء السوفييت من رصد أنابيب الكربون على سطح عامل حفاز حديدي في عام 1952. ومع ذلك ، فقد استغرق الأمر خمسين عامًا حتى يرى العلماء الأنابيب النانوية مادة واعدة ومفيدة. من الخصائص المدهشة لهذه الأنابيب النانوية أن خصائصها تحدد بالهندسة. لذا فإن خواصها الكهربائية تعتمد على زاوية الالتواء - يمكن للأنابيب النانوية إظهار أشباه الموصلات والتوصيل المعدني.

ترتبط العديد من المجالات الواعدة في مجال تكنولوجيا النانو اليوم بالأنابيب النانوية الكربونية. ببساطة ، الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن جزيئات عملاقة أو هياكل هيكلية تتكون فقط من ذرات الكربون. من السهل تخيل مثل هذا الأنبوب النانوي إذا تخيلنا أن الجرافين يتم دحرجته في أنبوب - هذه إحدى الطبقات الجزيئية للجرافيت. تحدد طريقة طي الأنابيب النانوية إلى حد كبير الخصائص النهائية لمادة معينة.

بطبيعة الحال ، لا أحد يصنع الأنابيب النانوية عن طريق لفها خصيصًا من ورقة من الجرافيت. تتشكل الأنابيب النانوية نفسها ، على سبيل المثال ، على سطح أقطاب الكربون أو بينها أثناء تفريغ القوس. تتبخر ذرات الكربون أثناء التفريغ من السطح وتتحد مع بعضها البعض. ونتيجة لذلك ، تتشكل أنواع مختلفة من الأنابيب النانوية - متعددة الطبقات ، وطبقة واحدة ، وبزوايا مختلفة للالتواء.

يعتمد التصنيف الرئيسي للأنابيب النانوية على عدد الطبقات المكونة لها:

• الأنابيب النانوية أحادية الجدار هي أبسط أنواع الأنابيب النانوية. يبلغ قطر معظمها 1 نانومتر وطولها يمكن أن يكون أطول بآلاف المرات ؛
• الأنابيب النانوية متعددة الطبقات ، التي تتكون من عدة طبقات من الجرافين ، يتم طيها في شكل أنبوب. تتشكل مسافة 0.34 نانومتر بين الطبقات ، أي مماثلة للمسافة بين الطبقات في بلورة الجرافيت.

جهاز

الأنابيب النانوية عبارة عن هياكل أسطوانية ممتدة من الكربون ، يمكن أن يصل طولها إلى عدة سنتيمترات وقطرها من واحد إلى عدة عشرات من النانومترات. في الوقت نفسه ، توجد اليوم تقنيات تتيح نسجها في خيوط ذات أطوال غير محدودة. قد تتكون من واحد أو أكثر من طائرات الجرافين ملفوفة في أنبوب ، والتي عادة ما تنتهي برأس نصف كروي.

يبلغ قطر الأنابيب النانوية عدة نانومترات ، أي عدة أجزاء من المليار من المتر. تتكون جدران الأنابيب النانوية الكربونية من أشكال سداسية ذات ذرات كربون في قمتها. يمكن أن يكون للأنابيب نوع مختلف من التركيب ، فهو الذي يؤثر على خواصها الميكانيكية والإلكترونية والكيميائية. الأنابيب أحادية الطبقة بها عيوب أقل ؛ في نفس الوقت ، بعد التلدين عند درجة حرارة عالية في جو خامل ، يمكن أيضًا الحصول على أنابيب خالية من العيوب. تختلف الأنابيب النانوية متعددة الجدران عن الأنابيب النانوية القياسية أحادية الجدار في مجموعة متنوعة من التكوينات والأشكال.

يمكن تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية بعدة طرق ، ولكن الأكثر شيوعًا هي:

• تفريغ القوس. تضمن الطريقة إنتاج الأنابيب النانوية في التركيبات التكنولوجية لإنتاج الفوليرينات في بلازما تفريغ القوس ، والتي تحترق في جو الهيليوم. لكن يتم استخدام أنماط أخرى من الانحناء هنا: ارتفاع ضغط الهيليوم وكثافة تيار منخفض ، بالإضافة إلى كاثودات ذات قطر أكبر. يحتوي رواسب الكاثود على أنابيب نانوية يصل طولها إلى 40 ميكرومتر ؛ تنمو عموديًا من الكاثود وتتحد في حزم أسطوانية.
• طريقة الاجتثاث بالليزر . تعتمد الطريقة على تبخر هدف من الجرافيت في مفاعل خاص عالي الحرارة. تتشكل الأنابيب النانوية على السطح المبرد للمفاعل في شكل مكثف تبخر من الجرافيت. تسمح هذه الطريقة في الغالب بالحصول على أنابيب نانوية أحادية الجدار مع القطر المطلوب الذي يتم التحكم فيه عن طريق درجة الحرارة. لكن هذه الطريقة أغلى بكثير من غيرها.
• ترسيب الأبخرة الكيميائية . تتضمن هذه الطريقة تحضير ركيزة بطبقة محفز ، والتي يمكن أن تكون جزيئات من الحديد أو الكوبالت أو النيكل أو توليفات منها. سيعتمد قطر الأنابيب النانوية التي تنمو بهذه الطريقة على حجم الجسيمات المستخدمة. الركيزة تسخن حتى 700 درجة. لبدء نمو الأنابيب النانوية ، يتم إدخال غاز يحتوي على الكربون وغاز معالجة (هيدروجين أو نيتروجين أو أمونيا) في المفاعل. تنمو الأنابيب النانوية في مواقع المحفز المعدني.

التطبيقات والميزات

• تطبيقات في الضوئيات والبصريات . عن طريق اختيار قطر الأنابيب النانوية ، يمكن للمرء أن يوفر امتصاصًا ضوئيًا في نطاق طيفي كبير. تُظهر الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار عدم خطية قوية لامتصاص قابل للإشباع ، أي أنها تصبح شفافة عند الضوء الشديد بدرجة كافية. لذلك ، يمكن استخدامها في العديد من التطبيقات في مجال الضوئيات ، على سبيل المثال ، في أجهزة التوجيه والمفاتيح ، لإنشاء نبضات ليزر فائقة القصر وتجديد الإشارات الضوئية.
• التطبيق في الإلكترونيات . في الوقت الحالي ، تم الإعلان عن العديد من الطرق لاستخدام الأنابيب النانوية في الإلكترونيات ، ولكن لا يمكن تنفيذ سوى جزء صغير منها. الأكثر أهمية هو استخدام الأنابيب النانوية في الموصلات الشفافة كمادة بينية مقاومة للحرارة.

ترجع أهمية محاولات إدخال الأنابيب النانوية في الإلكترونيات إلى الحاجة إلى استبدال الإنديوم في أحواض الحرارة ، والذي يستخدم في الترانزستورات عالية الطاقة ومعالجات الرسومات والمعالجات المركزية ، لأن مخزون هذه المواد يتناقص ، وسعرها آخذ في الازدياد .

• إنشاء مجسات . تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية لأجهزة الاستشعار من أكثر الحلول إثارة للاهتمام. يمكن أن تصبح الأفلام الرقيقة جدًا المصنوعة من الأنابيب النانوية أحادية الجدار حاليًا أفضل أساس لأجهزة الاستشعار الإلكترونية. يمكن إنتاجها باستخدام طرق مختلفة.
• إنشاء الرقائق الحيوية وأجهزة الاستشعار ومراقبة التسليم المستهدف وعمل الأدوية في صناعة التكنولوجيا الحيوية. يجري العمل في هذا الاتجاه حاليا بقوة وبشكل رئيسي. سيؤدي التحليل عالي الإنتاجية الذي يتم إجراؤه باستخدام تقنية النانو إلى تقليل الوقت المستغرق لجلب التكنولوجيا إلى السوق بشكل كبير.
• اليوم ينمو بسرعة إنتاج المركبات النانوية ، بوليمرية في الغالب. عندما يتم إدخال كمية صغيرة من الأنابيب النانوية الكربونية فيها ، يتم توفير تغيير كبير في خصائص البوليمرات. لذلك فهي تزيد من المقاومة الحرارية والكيميائية والتوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي وتحسين الخصائص الميكانيكية. تم تحسين العشرات من المواد بإضافة أنابيب نانوية كربونية إليها ؛

- ألياف مركبة تعتمد على البوليمرات ذات الأنابيب النانوية ؛
- مركبات السيراميك مع الإضافات. تزداد مقاومة التشقق للسيراميك ، وتظهر الحماية من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وتزيد الموصلية الكهربائية والحرارية ؛
- الخرسانة مع الأنابيب النانوية - تزداد الدرجة والقوة ومقاومة التشقق ويقل الانكماش ؛
- المركبات المعدنية. خاصة مركبات النحاس ، التي تكون خواصها الميكانيكية أعلى بعدة مرات من خواص النحاس العادي ؛
- المركبات الهجينة ، والتي تحتوي على ثلاثة مكونات في آن واحد: ألياف غير عضوية أو بوليمرية (أقمشة) ، مادة رابطة وأنابيب نانوية.

المميزات والعيوب

من بين مزايا الأنابيب النانوية الكربونية:

• العديد من الخصائص الفريدة والمفيدة حقًا التي يمكن تطبيقها في مجال حلول كفاءة الطاقة والضوئيات والإلكترونيات وغيرها من التطبيقات.
• إنها مادة متناهية الصغر لها عامل قوة عالي وتوصيل حراري وكهربائي ممتاز ومقاومة للحريق.
• تحسين خصائص المواد الأخرى عن طريق إدخال كمية صغيرة من الأنابيب النانوية الكربونية فيها.
• تظهر الأنابيب النانوية الكربونية ذات النهايات المفتوحة تأثيرًا شعريًا ، مما يعني أنها يمكن أن تسحب المعادن المنصهرة والسوائل الأخرى ؛
• تجمع الأنابيب النانوية بين خصائص المادة الصلبة والجزيئات ، مما يفتح آفاقًا مهمة.

من بين عيوب الأنابيب النانوية الكربونية:

• لا يتم حاليًا إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية على نطاق صناعي ، لذا فإن استخدامها التجاري محدود.
• تكلفة إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية مرتفعة ، مما يحد أيضًا من استخدامها. ومع ذلك ، يعمل العلماء بجد لتقليل تكلفة إنتاجهم.
• الحاجة إلى تحسين تقنيات الإنتاج لإنشاء أنابيب نانوية كربونية بخصائص محددة بدقة.

آفاق

في المستقبل القريب ، سيتم استخدام الأنابيب النانوية الكربونية في كل مكان ، وسيتم استخدامها لإنشاء:

• موازين نانوية ، مواد مركبة ، خيوط متينة.
• خلايا الوقود ، الأسطح الموصلة الشفافة ، الأسلاك النانوية ، الترانزستورات.
• أحدث تطورات الحواسيب العصبية.
• يعرض ، المصابيح.
• أجهزة لتخزين المعادن والغازات ، كبسولات للجزيئات النشطة ، الماصات النانوية.
• الروبوتات النانوية الطبية لتوصيل الأدوية والعمليات.
• مجسات مصغرة ذات حساسية فائقة. يمكن لمثل هذه المستشعرات النانوية أن تجد تطبيقات في تطبيقات التكنولوجيا الحيوية والطبية والعسكرية.
• كابل لمصعد فضائي.
• مكبرات صوت مسطحة وشفافة.
• عضلات اصطناعية. في المستقبل ، ستظهر روبوتات سايبورغ ، وسيعود المعوقون إلى حياة كاملة.
• المحركات ومولدات الطاقة.
• ملابس ذكية وخفيفة ومريحة تحمي من أي محنة.
• المكثفات الفائقة الآمنة مع الشحن السريع.

كل هذا في المستقبل ، لأن التقنيات الصناعية لإنشاء واستخدام الأنابيب النانوية الكربونية لا تزال في المرحلة الأولى من التطوير ، وسعرها باهظ الثمن. لكن العلماء الروس أعلنوا بالفعل أنهم وجدوا طريقة لتقليل تكلفة إنشاء هذه المادة بمائتي مرة. تظل هذه التقنية الفريدة لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية سرية حاليًا ، ولكن ينبغي أن تحدث ثورة في الصناعة والعديد من المجالات الأخرى.

تنشئ الأنابيب النانوية الكربونية فرعًا جديدًا للصناعة وعلوم المواد

يتم تمثيل مواد فئة "النانو" ، أي التي تحتوي على جسيمات أقل من 100 نانومتر ، اليوم بواسطة الكربون التقني (السخام) وهلام السيليكا ("السخام الأبيض"). أحجام إنتاج المواد النانوية الأخرى أقل بما لا يقاس. لكن الوضع يتغير الآن ، دخلت الأنابيب النانوية الكربونية السوق. أنابيب الكربون النانوية- هذه هياكل أسطوانية ممتدة تتكون من واحد أو أكثر من مستويات الجرافيت السداسية (تشبه هندسيًا قرص العسل) والتي يتم لفها في أنبوب

تم تسجيل براءة اختراع الأنابيب الكربونية الدقيقة في نهاية القرن التاسع عشر ، وتم الحصول على الأنابيب النانوية لأول مرة في معهد موسكو للكيمياء الفيزيائية في الخمسينيات ، ثم في اليابان في السبعينيات ، وأخيراً "اكتُشفت" في اليابان في عام 1991. منذ ذلك الحين ، نما الاهتمام بالأنابيب بشكل مطرد.

لا تحتوي الأنابيب النانوية على نظائرها من حيث مجموعة الخصائص المطلوبة

• رابطة ذرات الكربون ببعضها البعض في الأنابيب النانوية لها قوة قياسية. معامل يونغ (بعد الضغط الذي يميز مقاومة مادة ما للتوتر أو الانضغاط) للأنابيب النانوية هو أكثر من 1 تيرابايت (حوالي مليون الغلاف الجوي - أعلى من الماس). الموصلية الحرارية للأنابيب النانوية أعلى بثماني مرات من تلك الخاصة بالنحاس ، والموصلية الكهربائية لا تخضع لقانون أوم. يمكن أن تكون كثافة التيار في الأنابيب أكبر بألف مرة من الكثافة التي ينفجر عندها الأسلاك النحاسية.

تجاوز الإنتاج العالمي للأنابيب النانوية 1000 طن سنويًا. أصبح استخدام المواد المصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية أو التي تحتوي على الأنابيب النانوية الكربونية قطاعاً جديداً من الاقتصاد لم يتأثر بالأزمة المالية العالمية.

• يقدر الطلب العالمي على الأنابيب النانوية في عام 2010 بنحو 10000 طن. يتم إنتاجها من قبل أكثر من 40 شركة. ألمانية باير تخطط لتوسيع الطاقة الإنتاجية إلى 3000 طن / سنة بحلول عام 2012 ، الفرنسية أركيما لديها مصنع بطاقة سنوية 400 طن صيني كنانو - 500 طن / جم وبلجيكى نانوسيل - 400 طن / جرام. ما يصل إلى 500 طن / سنة يزيد من إنتاج ألياف الكربون النانوية اليابانية شوا دينكو .

• تنقسم المواد ذات البنية النانوية إلى مجموعتين كبيرتين. المواد المكونة لأحدها هي 95-100٪ أنابيب نانوية. على العكس من ذلك ، تحتوي مواد ثاني أكسيد الكربون على عدد قليل من الأنابيب النانوية ، تصل إلى 5٪.

مواد الأنابيب النانوية

يسمح شكل الأنابيب النانوية بتكديسها بطريقتين: عشوائيًا أو مرتبًا ، مما يؤثر على خصائص المواد. يمكن تعديل الأنابيب النانوية بربط مجموعات كيميائية مختلفة وجسيمات نانوية بها. كما أنه يغير خصائص الأنابيب النانوية نفسها وموادها.

• تشتمل مواد المجموعة الأولى على هياكل "متجانسة" من الأنابيب النانوية ؛ الطلاءات والأفلام وورق النانو من الأنابيب ؛ ألياف الأنبوب "غابة" - الأنابيب النانوية مرتبة موازية لبعضها البعض وعمودية على الركيزة. لا تستخدم المواد "المتجانسة" على نطاق واسع.

من الأنابيب النانوية الطويلة المتشابكة ، تم عزل "المطاط" المقاوم للتدمير تحت الأحمال الدورية ودرجات الحرارة من -140 إلى +900 درجة مئوية. أداءه أفضل بكثير من مطاط السيليكون ، والذي يعتبر أفضل مادة لزجة مرنة.

• يتم الحصول على الطلاءات والأفلام وورق النانو إما أثناء تركيب الأنابيب أو من مشتتاتها (المحاليل الغروية). المجموعة الأولى من الطرق هي ارتفاع درجة الحرارة ، والثانية لا تتطلب التدفئة. أبسط مادة كبيرة من الأنابيب ، ورق نانوي ، يبلغ سمكها 10-30 نانومتر ويتم إنتاجها عن طريق ترشيح التشتت.

.

شركة تقنيات نانوكومب (الولايات المتحدة الأمريكية) تبيع صفائح من الورق النانوي تبلغ مساحتها حوالي 3 أمتار مربعة وتخطط لإنشاء منشأة إنتاج بسعة 4-6 طن / سنة. الطرق المنفذة للحصول على لفات ورق النانو.

• تصنع المرشحات من ورق النانو (بما في ذلك لإزالة الفيروسات أو تحلية المياه) ، والحماية من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وأجزاء السخان ، وأجهزة الاستشعار ، والمشغلات ، وبواعث المجال ، والأقطاب الكهربائية للأجهزة الكهروكيميائية ، وناقلات المحفزات ، إلخ.

تتنافس الأفلام والطلاءات الموصلة الشفافة مع المحلول الصلب لأكاسيد الإنديوم والقصدير ويمكن أن تحل محل هذه المادة باهظة الثمن والهشة في الإلكترونيات وأجهزة الاستشعار والخلايا الكهروضوئية.

• شركة أمريكية إيكوس تم تطويره ومنذ عام 2005 تم توفير التكوين حبر إنفيزيكون لترسيب أغشية رقيقة من الأنابيب النانوية على ركائز.

يبدو أن ألياف الأنابيب النانوية الكربونية هي مادة الربط المثالية "لمصعد الفضاء" لرفع الحمولات اقتصاديًا إلى مدار الأرض. ومع ذلك ، فقد تبين أن نقل خصائص الأنابيب النانوية إلى المواد الضخمة بعيد كل البعد عن أن يكون مهمة بسيطة.

• يتم الحصول على الألياف بطرق مختلفة. تتضمن الطرق "الجافة" التشكيل من الهلام الهوائي الذي يتكون أثناء الانحلال الحراري للهيدروكربونات ، والغزل من "الخشب".

تم تطوير تقنية سحب ولف الألياف من الهوائي - "الدخان الناعم" - في جامعة كامبريدج . يتم تغذية الهيدروكربون في منطقة التفاعل عند درجة حرارة عالية ، والتي يتكون منها الهلام الهوائي (أي هلام يتم فيه استبدال الطور السائل بالكامل بآخر غازي). منه ، كما في الأيام الخوالي من السحب ، يتم نسج الألياف. في إسرائيل ، تم تأسيس شركة في عام 2010 لتصنيع الدروع الواقية للبدن والطلاءات الواقية من المركبات الهجينة التي تحتوي على أنابيب كامبردج النانوية.

• يشبه الغزل من "الغابة" الحصول على خيوط الحرير من شرانق دودة القز.

.

طرق المحلول لإنتاج الألياف هي بثق المشتتات في تيار سائل أو السحب من المحاليل الغروية في الأحماض الفائقة (الأحماض أقوى من الكبريتيك).

• شركة تقنيات نانوكومب أعلنت عن توريد ألياف قوية يصل طولها إلى 10 كيلومترات تستخدم لتصنيع الأنابيب النانوية الطويلة. تتمتع الخيوط الملتوية بقوة 3 جيجا باسكال وهي بالفعل متفوقة على كيفلر في بعض النواحي.

"الغابة" من حيث مجموعة الخصائص ليس لها نظائر - إنها مادة مرنة ، موصلة كهربائيًا وحراريًا يمكن أن تتخذ أشكالًا مختلفة ويمكن تعديلها. في عام 2004 ، تم وصف عملية النمو الفائق "للغابات" عالية الأداء: الحصول على أنابيب نانوية كربونية نقية جدًا يصل طولها إلى 15-18 مم ، مما يقلل بشكل كبير من تكلفتها.

• تستعد اليابان لبدء الإنتاج على أساس عملية النمو الفائق. تبلغ قدرتها 600 جرام / ساعة فقط من الأنابيب النانوية أحادية الجدار ، ولكن من المخطط زيادتها إلى 10 طن / جرام قريبًا.

يمكن استخدام "فورست" لإنشاء إلكترودات للمكثفات الفائقة وبواعث المجال والخلايا الشمسية ، كمكون من مكونات المركبات القائمة على البوليمر. من خلال وضع "الغابة" على سطح الركيزة ، تم الحصول على شرائط كثيفة. من حيث الموصلية الكهربائية المحددة ، يمكنهم تجاوز المعادن وسيجدون تطبيقات في صناعة الطيران.

• تعمل العصابات العضلية الاصطناعية المصنوعة من الأنابيب النانوية المتوازية في درجات حرارة تتراوح من 80 إلى 1900 كلفن ، وعند تطبيق جهد كهربائي ، توفر استطالة عالية جدًا. تعتبر محولات الكهرباء هذه إلى طاقة ميكانيكية أكثر كفاءة من البلورات البيزو.

المواد مع خليط من الأنابيب النانوية

ينمو إنتاج مواد المجموعة الثانية - المركبات النانوية ، وخاصة البوليمرات ، بشكل حاد.

• إدخال كميات صغيرة من الأنابيب النانوية الكربونية يغير بشكل كبير خصائص البوليمرات ، ويضفي التوصيل الكهربائي ، ويزيد من التوصيل الحراري ، ويحسن الخصائص الميكانيكية ، والاستقرار الكيميائي والحراري. تم إنشاء مركبات نانوية تعتمد على العشرات من البوليمرات المختلفة ، وتم تطوير العديد من الطرق لتحضيرها.

يمكن استخدام الألياف المركبة التي تم إنشاؤها على أساس البوليمرات ذات الأنابيب النانوية على نطاق واسع.

• تقريبا كل الشركة باير تستخدم الأنابيب النانوية لمركبات البوليمر. شركة أركيما تزود الأنابيب النانوية لمركبات اللدائن الحرارية ، و نانوسيل - للبوليمرات القابلة للرشم بالحرارة والألياف الكربونية الأولية (المقويات الأولية عبارة عن مواد مركبة نصف منتهية لمزيد من المعالجة).

شركة أمريكية هايبريون الحفز كثافة العمليات. هي شركة رائدة في الإنتاج الصناعي للأنابيب النانوية ، وتنتج مركزات لإدراجها في راتنجات الإيبوكسي والبوليمرات.

أنواع الأنابيب النانوية

• يتم إنشاء مركبات السيراميك على أساس العديد من المواد المقاومة للحرارة ، ومع ذلك ، من حيث التطور الصناعي ، فهي أدنى بشكل ملحوظ من المركبات النانوية القائمة على البوليمرات. كما في حالة البوليمرات ، فإن إضافة كميات صغيرة من الأنابيب النانوية تزيد من التوصيل الكهربائي والحراري ، وتعطي القدرة على الحماية من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، والأهم من ذلك أنها تزيد من مقاومة التشقق للسيراميك.

يؤدي إدخال كميات صغيرة جدًا من الأنابيب النانوية إلى الخرسانة إلى زيادة درجتها ومقاومتها للتصدع وقوتها وتقليل الانكماش.

• يتم إنشاء المركبات المعدنية من معادن وسبائك غير حديدية شائعة. يتم إيلاء أكبر قدر من الاهتمام لمركبات النحاس ، والتي تكون خواصها الميكانيكية أعلى بمرتين إلى ثلاث مرات من خواص النحاس. زادت العديد من المركبات من القوة والصلابة ، وانخفاض معاملات التمدد والاحتكاك الحراري.

تحتوي المركبات الهجينة عادةً على ثلاثة مكونات: ألياف بوليمرية أو غير عضوية (أقمشة) وأنابيب نانوية ومواد رابطة. يشمل هذا الفصل التقوية .

• شركة أمريكية متخصصة في إنتاج مواد التقوية بالأنابيب النانوية مواد الأداء Zyvex . تزيد الأنابيب النانوية من قوة وصلابة المواد الأولية بنسبة 30-50٪. تستخدم المعدات الأولية لإنشاء زوارق استطلاع بحرية بدون طيار "بيرانا" .

في الولايات المتحدة في عام 2009 ، حلقت أول طائرة بهلوانية جوية مع محرك هدية مصنوعة من مركب مع الأنابيب النانوية. بعض عناصر هيكل الطائرة إف 35 شركات مارتن لوكهيد مصنوعة من هذه المركبات ، ما يقرب من 100 جزء من هيكل الطائرة للركاب بوينج 787 من المفترض أن يتم ذلك باستخدام الأنابيب النانوية.

• شركة نانوسيل تنتج راتنجات الايبوكسي مع الأنابيب إبوسيل و Preregs بريجسيل على أساس الألياف الزجاجية أو ألياف الكربون أو الأراميد. تزيد المواد المضافة من مقاومة التشقق بنسبة 100٪ ، ومقاومة القص بين الصفائح بنسبة 15٪ وتقلل من معامل التمدد الحراري. من المفترض أن تستخدم المركبات في صناعات السيارات والطيران ، للسترات الواقية من الرصاص. إنها تقلل وزن شفرات توربينات الرياح التي يبلغ طولها 49 مترًا من 7.3 إلى 5.8 طن.

شركة فنلندية Amroy Europe Oy باستخدام إنتاج الأنابيب النانوية باير ، يطلق مركز الايبوكسي هيبتونايت للسفن البحرية ، توربينات الرياح ، المعدات الرياضية ، إلخ.

• للبيج الكندية نانوليدج استخدامات أنابيب الشركة باير ، لكن تقنيات نانوكومب تنتج مساحات كبيرة من الأوراق ولفائف الورق النانوي.

يمكن أن تعرض المركبات الهجينة خصائص حساس التلف.

• تم أيضًا إنشاء المركبات الحيوية باستخدام مصفوفات مختلفة. تتم دراسة المواد اللازمة لزراعة العظام ، والأغشية الخاصة بنمو أنسجة العضلات والعظام ، وخلايا الشبكية والظهارية للعين ، وشبكات الخلايا العصبية ، بالإضافة إلى المركبات والوظائف الحيوية وأجهزة الاستشعار الحيوية.

لا تستنفد الأمثلة تنوع وخصائص المواد باستخدام الأنابيب النانوية. تتوسع مجالات تطبيقها ، وقد بدأوا في تحديد مستوى تطور علم المواد ذات البنية النانوية ، والحالة العامة للعلم والتكنولوجيا في البلدان الفردية.

إدوارد راكوف ، دكتوراه في الكيمياء ، رئيس قسم تكنولوجيا النانو والمواد النانوية ، الجامعة التقنية الكيميائية الروسية التي سميت على اسم. دي. مندليف