कार्बन नैनोट्यूब, उनका उत्पादन, गुण और अनुप्रयोग। नैनोट्यूब में एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब एक्साइटॉन और बाइएक्सिटॉन

गुच्छों का एक अन्य वर्ग लम्बी बेलनाकार कार्बन संरचनाएँ थीं, जिन्हें बाद में, उनकी संरचना को स्पष्ट करने के बाद, "कहा जाता था" कार्बन नैनोट्यूब"(सीएनटी)। सीएनटी बड़े होते हैं, कभी-कभी कार्बन परमाणुओं से बने अतिरिक्त बड़े (10 6 परमाणुओं से अधिक) अणु भी होते हैं।

ठेठ संरचनात्मक योजनाएकल-दीवार वाले CNT और इसके आणविक कक्षकों की कंप्यूटर गणना का परिणाम अंजीर में दिखाया गया है। 3.1. सफेद रेखाओं द्वारा दर्शाए गए सभी हेक्सागोन और पेंटागन के शीर्ष पर, कार्बन परमाणु sp 2 संकरण की स्थिति में होते हैं। सीएनटी ढांचे की संरचना को स्पष्ट रूप से दिखाई देने के लिए, कार्बन परमाणु यहां नहीं दिखाए गए हैं। लेकिन उनकी कल्पना करना मुश्किल नहीं है। ग्रे टोन सीएनटी की पार्श्व सतह के आणविक ऑर्बिटल्स के दृश्य को दर्शाता है।

चित्र 3.1

सिद्धांत से पता चलता है कि एकल-दीवार वाले CNT की पार्श्व सतह की संरचना को एक ट्यूब में लुढ़के ग्रेफाइट की एकल परत के रूप में कल्पना की जा सकती है। यह स्पष्ट है कि इस परत को केवल उन्हीं दिशाओं में लुढ़काया जा सकता है जिसमें बेलनाकार सतह बंद होने पर हेक्सागोनल जाली का संरेखण स्वयं के साथ प्राप्त किया जाता है। इसलिए, CNTs में केवल एक निश्चित व्यास का सेट होता है और उन्हें वर्गीकृत किया जाता है परहेक्सागोनल जाली के तह की दिशा का संकेत देने वाले वैक्टर। सीएनटी के गुणों में उपस्थिति और विविधता दोनों इस पर निर्भर करते हैं। चित्र 3.2 में तीन विशिष्ट विकल्प दिखाए गए हैं।

संभावित सीएनटी व्यास का एक सेट ओवरलैप होता है श्रेणी 1 एनएम से थोड़ा कम से लेकर कई दसियों नैनोमीटर तक। लेकिन लंबाईसीएनटी दसियों माइक्रोमीटर तक पहुंच सकता है। अभिलेख पर CNT की लंबाई पहले ही 1 मिमी की सीमा को पार कर चुकी है।

पर्याप्त रूप से लंबे CNTs (जब लंबाईव्यास से बहुत बड़ा) को एक आयामी क्रिस्टल माना जा सकता है। उन पर एक "प्राथमिक सेल" को अलग करना संभव है, जो ट्यूब की धुरी के साथ कई बार दोहराता है। और यह लंबे कार्बन नैनोट्यूब के कुछ गुणों में परिलक्षित होता है।

ग्रेफाइट परत तह वेक्टर के आधार पर (विशेषज्ञ कहते हैं: "से दाहिनी ओर") नैनोट्यूब कंडक्टर और अर्धचालक दोनों हो सकते हैं। तथाकथित "काठी" संरचना के सीएनटी में हमेशा एक उच्च, "धातु" विद्युत चालकता होती है।

चावल। 3.2

सीएनटी को सिरों पर बंद करने वाले "ढक्कन" भी भिन्न हो सकते हैं। उनके पास विभिन्न फुलरीन के "आधा" का रूप है। उनके मुख्य विकल्प अंजीर में दिखाए गए हैं। 3.3.

चावल। 3.3 एकल-दीवार वाले CNT . के "कैप्स" के मुख्य रूप

वे भी हैं बहुपरत सीएनटी. उनमें से कुछ एक स्क्रॉल में लुढ़के हुए ग्रेफाइट की एक परत की तरह दिखते हैं। लेकिन अधिकांश में सिंगल-लेयर ट्यूब होते हैं जो एक दूसरे में डाली जाती हैं, जो वैन डेर वाल्स बलों द्वारा परस्पर जुड़ी होती हैं। अगर एकल-दीवार वाले CNTsलगभग हमेशा ढक्कन के साथ बंद, फिर बहुपरत सीएनटीआंशिक रूप से खुले भी हैं। वे आमतौर पर एकल-दीवार वाले CNTs की तुलना में बहुत अधिक छोटे संरचनात्मक दोष प्रदर्शित करते हैं। इसलिए, इलेक्ट्रॉनिक्स में अनुप्रयोगों के लिए, बाद वाले को वरीयता दी जाती है।

सीएनटी न केवल रेक्टिलिनर बढ़ते हैं, बल्कि घुमावदार भी होते हैं, एक "घुटने" बनाने के लिए झुकते हैं, और यहां तक ​​​​कि एक प्रकार के टोरस के रूप में पूरी तरह से मुड़े हुए होते हैं। अक्सर, कई सीएनटी एक-दूसरे से मजबूती से जुड़े होते हैं और बंडल बनाते हैं।

नैनोट्यूब के लिए प्रयुक्त सामग्री

कार्बन नैनोट्यूब (CNTs) के संश्लेषण के तरीकों के विकास ने संश्लेषण तापमान को कम करने के मार्ग का अनुसरण किया। फुलरीन के उत्पादन के लिए प्रौद्योगिकी के निर्माण के बाद, यह पाया गया कि ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड के विद्युत चाप वाष्पीकरण के दौरान, फुलरीन के गठन के साथ, विस्तारित बेलनाकार संरचनाएं बनती हैं। माइक्रोस्कोपिस्ट सुमियो इजिमा, एक ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (टीईएम) का उपयोग करते हुए, इन संरचनाओं को नैनोट्यूब के रूप में पहचानने वाले पहले व्यक्ति थे। सीएनटी के उत्पादन के लिए उच्च तापमान विधियों में विद्युत चाप विधि शामिल है। यदि एक ग्रेफाइट रॉड (एनोड) को इलेक्ट्रिक आर्क में वाष्पित किया जाता है, तो सॉफ्ट कोर में विपरीत इलेक्ट्रोड (कैथोड) पर एक हार्ड कार्बन बिल्ड-अप (जमा) बनता है, जिसमें 15- के व्यास के साथ बहु-दीवार वाले सीएनटी होते हैं। 20 एनएम और 1 माइक्रोन से अधिक की लंबाई।

कालिख पर उच्च तापमान वाली तापीय क्रिया के तहत फुलरीन कालिख से सीएनटी का निर्माण पहली बार ऑक्सफोर्ड और स्विस समूहों द्वारा देखा गया था। विद्युत चाप संश्लेषण की स्थापना धातु-गहन, ऊर्जा-खपत है, लेकिन विभिन्न प्रकार के कार्बन नैनोमटेरियल प्राप्त करने के लिए सार्वभौमिक है। एक महत्वपूर्ण समस्या चाप जलने के दौरान प्रक्रिया का गैर-संतुलन है। एक समय में इलेक्ट्रिक आर्क विधि ने लेजर वाष्पीकरण (पृथक्करण) की विधि को लेजर बीम से बदल दिया था। एब्लेशन यूनिट एक पारंपरिक प्रतिरोधक हीटिंग ओवन है जो 1200 डिग्री सेल्सियस का तापमान देता है। इसमें उच्च तापमान प्राप्त करने के लिए, भट्ठी में कार्बन लक्ष्य रखना और उस पर एक लेजर बीम निर्देशित करना, लक्ष्य की पूरी सतह को बारी-बारी से स्कैन करना पर्याप्त है। इसलिए स्मॉली के समूह ने शॉर्ट-पल्स लेजर के साथ महंगे इंस्टॉलेशन का उपयोग करते हुए, 1995 में नैनोट्यूब प्राप्त किए, उनके संश्लेषण की तकनीक को "काफी सरल" किया।

हालांकि, सीएनटी की उपज कम रही। ग्रेफाइट में निकल और कोबाल्ट (0.5 at.%) के छोटे परिवर्धन की शुरूआत ने सीएनटी की उपज को 70-90% तक बढ़ाना संभव बना दिया। उस क्षण से, नैनोट्यूब निर्माण के तंत्र की अवधारणा में एक नया चरण शुरू हुआ। यह स्पष्ट हो गया कि धातु एक विकास उत्प्रेरक है। इस प्रकार, कम तापमान विधि द्वारा नैनोट्यूब के उत्पादन पर पहला काम दिखाई दिया - हाइड्रोकार्बन (सीवीडी) के उत्प्रेरक पायरोलिसिस की विधि द्वारा, जहां एक लौह समूह धातु के कणों को उत्प्रेरक के रूप में उपयोग किया जाता था। सीवीडी विधि द्वारा नैनोट्यूब और नैनोफाइबर के उत्पादन के लिए स्थापना के विकल्पों में से एक रिएक्टर है जिसमें एक अक्रिय वाहक गैस की आपूर्ति की जाती है, जो उत्प्रेरक और हाइड्रोकार्बन को उच्च तापमान क्षेत्र में ले जाती है।

सरलीकृत, सीएनटी विकास तंत्र इस प्रकार है। हाइड्रोकार्बन के ऊष्मीय अपघटन के दौरान बनने वाला कार्बन धातु के नैनोकणों में घुल जाता है। जब कण में कार्बन की उच्च सांद्रता पहुंच जाती है, तो उत्प्रेरक कण के एक चेहरे पर, अतिरिक्त कार्बन का एक ऊर्जावान रूप से अनुकूल "रिलीज" एक विकृत अर्ध-फुलरीन टोपी के रूप में होता है। इस तरह एक नैनोट्यूब का जन्म होता है। विघटित कार्बन उत्प्रेरक कण में प्रवेश करना जारी रखता है, और पिघल में इसकी अधिकता को छोड़ने के लिए, इसे लगातार निपटाना चाहिए। पिघल की सतह से ऊपर उठने वाला गोलार्द्ध (सेमीफुलरीन) अपने साथ घुली हुई अतिरिक्त कार्बन को अपने साथ ले जाता है, जिसके पिघल के बाहर के परमाणु एक सी-सी बंधन बनाते हैं, जो एक बेलनाकार फ्रेम-नैनोट्यूब है।

नैनोसाइज्ड अवस्था में किसी कण का गलनांक उसकी त्रिज्या पर निर्भर करता है। त्रिज्या जितना छोटा होगा, गिब्स-थॉम्पसन प्रभाव के कारण गलनांक उतना ही कम होगा। इसलिए, लगभग 10 एनएम के आकार वाले लोहे के नैनोकण 600 डिग्री सेल्सियस से नीचे पिघली हुई अवस्था में होते हैं। आज तक, सीएनटी के निम्न-तापमान संश्लेषण को 550 डिग्री सेल्सियस पर Fe कणों की उपस्थिति में एसिटिलीन के उत्प्रेरक पायरोलिसिस द्वारा किया गया है। संश्लेषण तापमान को कम करने के भी नकारात्मक परिणाम होते हैं। कम तापमान पर, एक बड़े व्यास (लगभग 100 एनएम) के साथ सीएनटी और "बांस" या "नेस्टेड नैनोकोन्स" जैसी अत्यधिक दोषपूर्ण संरचना प्राप्त की जाती है। परिणामी सामग्री में केवल कार्बन होता है, लेकिन वे लेजर एब्लेशन या इलेक्ट्रिक आर्क संश्लेषण द्वारा प्राप्त एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब में देखी गई असाधारण विशेषताओं (उदाहरण के लिए, यंग का मापांक) के करीब भी नहीं आते हैं।

यह माना जाता है कि कार्बन नैनोट्यूब का खोजकर्ता जापानी निगम एनईसी सुमियो इजिमा का एक कर्मचारी है, जिसने 1991 में एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के तहत जमा का अध्ययन करते समय बहुपरत नैनोट्यूब की संरचनाओं का अवलोकन किया था, जो शुद्ध कार्बन के आणविक रूपों के संश्लेषण के दौरान बने थे। एक सेलुलर संरचना।

वर्गीकरण

नैनोट्यूब का मुख्य वर्गीकरण उनकी घटक परतों की संख्या पर आधारित है।

एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब(एकल दीवार वाले नैनोट्यूब, एसएनडब्ल्यूटी) - नैनोट्यूब का सबसे सरल प्रकार। उनमें से अधिकांश का व्यास लगभग 1 एनएम है जिसकी लंबाई कई हज़ार गुना अधिक हो सकती है। एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब की संरचना को ग्रेफाइट (ग्राफीन) के एक हेक्सागोनल नेटवर्क के "रैपिंग" के रूप में दर्शाया जा सकता है, जो एक निर्बाध सिलेंडर में कोने के कोने पर स्थित कार्बन परमाणुओं के साथ हेक्सागोन पर आधारित होता है। ट्यूबों के ऊपरी सिरे अर्धगोलाकार टोपियों के साथ बंद होते हैं, जिनमें से प्रत्येक परत षट्भुज और पेंटागन से बनी होती है, जो आधे फुलरीन अणु की संरचना के समान होती है।

चित्र 1. एकल-परत नैनोट्यूब का चित्रमय प्रतिनिधित्व

बहुपरत नैनोट्यूब(बहु-दीवार वाले नैनोट्यूब, MWNTs) में एक ट्यूब के आकार में खड़ी ग्राफीन की कई परतें होती हैं। परतों के बीच की दूरी 0.34 एनएम है, यानी क्रिस्टलीय ग्रेफाइट में परतों के बीच की दूरी।

उनकी संरचना का वर्णन करने के लिए दो मॉडलों का उपयोग किया जाता है। बहुपरत नैनोट्यूब कई एकल-परत नैनोट्यूब हो सकते हैं जो एक दूसरे के अंदर नेस्टेड (तथाकथित "मैत्रियोश्का") हो सकते हैं। एक अन्य मामले में, ग्रैफेन की एक "शीट" कई बार अपने चारों ओर लपेटती है, जो चर्मपत्र या समाचार पत्र ("चर्मपत्र" मॉडल) की स्क्रॉलिंग के समान होती है।

चित्रा 2. एक बहुपरत नैनोट्यूब की ग्राफिक छवि (matryoshka मॉडल)

संश्लेषण के तरीके

नैनोट्यूब के संश्लेषण के लिए सबसे आम तरीके इलेक्ट्रिक आर्क विधि, लेजर एब्लेशन और रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) हैं।

चाप का निर्वहन -इस पद्धति का सार फुलरीन के उत्पादन के लिए तकनीकी प्रतिष्ठानों में हीलियम वातावरण में जलने वाले आर्क डिस्चार्ज प्लाज्मा में कार्बन नैनोट्यूब के उत्पादन में निहित है। हालांकि, आर्किंग के अन्य तरीकों का उपयोग यहां किया जाता है: चाप निर्वहन की कम वर्तमान घनत्व, उच्च हीलियम दबाव (~ 500 Torr), बड़ा व्यास कैथोड।

स्पटरिंग उत्पादों में नैनोट्यूब की उपज बढ़ाने के लिए, एक उत्प्रेरक (लौह समूह धातुओं के मिश्रण) को ग्रेफाइट रॉड में पेश किया जाता है, अक्रिय गैस का दबाव और स्पटरिंग मोड बदल जाता है।

कैथोड जमा में नैनोट्यूब की सामग्री 60% तक पहुंच जाती है। परिणामी नैनोट्यूब लंबाई में 40 माइक्रोन तक कैथोड से इसकी सतह तक बढ़ते हैं और बेलनाकार बीम में लगभग 50 किमी व्यास में संयोजित होते हैं।

लेजर पृथक

इस पद्धति का आविष्कार रिचर्ड स्माले और राइस विश्वविद्यालय द्वारा किया गया था और यह उच्च तापमान रिएक्टर में ग्रेफाइट लक्ष्य के वाष्पीकरण पर आधारित है। नैनोट्यूब रिएक्टर की ठंडी सतह पर ग्रेफाइट वाष्पीकरण घनीभूत के रूप में दिखाई देते हैं। वाटर-कूल्ड सतह को नैनोट्यूब संग्रह प्रणाली में शामिल किया जा सकता है।

इस विधि में उत्पाद की उपज लगभग 70% है। इसकी मदद से, प्रतिक्रिया तापमान द्वारा नियंत्रित व्यास वाले मुख्य रूप से एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब प्राप्त किए जाते हैं। हालांकि, इस पद्धति की लागत दूसरों की तुलना में बहुत अधिक महंगी है।

रासायनिक वाष्प जमाव (CVD)

उत्प्रेरक कार्बन वाष्प जमाव की विधि 1959 में खोजी गई थी, लेकिन 1993 तक किसी ने यह नहीं माना था कि इस प्रक्रिया में नैनोट्यूब प्राप्त किए जा सकते हैं।

इस विधि की प्रक्रिया में, उत्प्रेरक परत के साथ एक सब्सट्रेट तैयार किया जाता है - धातु के कण (अक्सर निकल, कोबाल्ट, लोहा, या उसके संयोजन)। इस तरह से उगाए गए नैनोट्यूब का व्यास धातु के कणों के आकार पर निर्भर करता है।

सब्सट्रेट को लगभग 700 डिग्री सेल्सियस तक गरम किया जाता है। नैनोट्यूब के विकास को आरंभ करने के लिए, रिएक्टर में दो प्रकार की गैसों को पेश किया जाता है: प्रक्रिया गैस (उदाहरण के लिए, अमोनिया, नाइट्रोजन, हाइड्रोजन, आदि) और कार्बन युक्त गैस (एसीटिलीन, एथिलीन, इथेनॉल, मीथेन, आदि)। धातु उत्प्रेरक के स्थलों पर नैनोट्यूब बढ़ने लगते हैं।

कार्बन नैनोट्यूब के उत्पादन के लिए यह तंत्र सबसे आम वाणिज्यिक तरीका है। नैनोट्यूब प्राप्त करने के अन्य तरीकों में, इकाई मूल्य के मामले में सर्वोत्तम अनुपात के कारण सीवीडी औद्योगिक पैमाने पर सबसे अधिक आशाजनक है। इसके अलावा, अतिरिक्त संग्रह के बिना वांछित सब्सट्रेट पर लंबवत उन्मुख नैनोट्यूब प्राप्त करना संभव बनाता है, साथ ही उत्प्रेरक के माध्यम से उनकी वृद्धि को नियंत्रित करना संभव बनाता है।

उपयोग के क्षेत्र

फुलरीन और मेसोपोरस कार्बन संरचनाओं के साथ कार्बन नैनोट्यूब, कार्बन नैनोमैटेरियल्स या कार्बन फ्रेमवर्क संरचनाओं का एक नया वर्ग बनाते हैं, जिसमें ऐसे गुण होते हैं जो कार्बन के अन्य रूपों जैसे ग्रेफाइट और हीरे से काफी भिन्न होते हैं। हालांकि, नैनोट्यूब उनमें से सबसे आशाजनक हैं।

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1993 में एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब की खोज की गई थी। पत्रिका के एक अंक में एक साथ दो लेख प्रकाशित हुए प्रकृति, जिसमें जापान इचिहाशी और सुमियो इजिमा के शोधकर्ताओं के साथ-साथ आईबीएम के वैज्ञानिकों ने धातु उत्प्रेरक का उपयोग करके एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब को संश्लेषित करने की संभावना पर परिणाम प्रकाशित किए। कार्बन नैनोट्यूब अन्य सामग्रियों के बीच चैंपियन, चैंपियन हैं।

भौतिक गुणों पर विचार करें। चालकता। कार्बन नैनोट्यूब की विद्युत चालकता तांबे और चांदी की तुलना में बहुत अधिक है। इसके अलावा, कई माइक्रोमीटर की दूरी पर बैलिस्टिक चालन देखा जाता है। दूसरी ओर, कार्बन नैनोट्यूब एक उल्लेखनीय अर्धचालक पदार्थ है जिसकी तुलना इसकी विशेषताओं के संदर्भ में सिलिकॉन से की जा सकती है। एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग करके, ट्रांजिस्टर प्राप्त करना संभव है जिसमें चार्ज वाहक की गतिशीलता पारंपरिक सिलिकॉन ट्रांजिस्टर में गतिशीलता से काफी अधिक है। इसके अलावा, एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब लचीले और पारदर्शी सबस्ट्रेट्स पर ट्रांजिस्टर प्राप्त करना संभव बनाते हैं। एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब में उल्लेखनीय तापीय गुण होते हैं, जो हीरे की तुलना में बेहतर होते हैं: ट्यूबों में तापीय चालकता लगभग 2 गुना अधिक होती है। इसके अलावा, एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब ठंडे इलेक्ट्रॉनों का एक कुशल क्षेत्र उत्सर्जक हैं।

कार्बन नैनोट्यूब की थर्मल स्थिरता काफी अधिक है: आप उन्हें नष्ट करने के डर के बिना, 1500 डिग्री सेल्सियस तक गर्म कर सकते हैं, जबकि उनके मुख्य प्रतियोगी - कार्बनिक कंडक्टर - लगभग 150 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर पहले से ही टूटना शुरू कर देते हैं। कार्बन नैनोट्यूब बहुत हल्के पदार्थ होते हैं। दूसरी ओर, उनके पास उच्च विशिष्ट शक्ति है - उच्च शक्ति वाले स्टील की तुलना में 25 गुना अधिक। यह लगभग एकमात्र ऐसी सामग्री है जिससे अंतरिक्ष लिफ्ट बनाना संभव होगा, जो एक केबल के रूप में भूस्थिर कक्षा में घूमते हुए उपग्रह को पृथ्वी से जोड़ता है, जिस पर अंतरिक्ष में भार उठाना संभव होगा। पॉलिमर में कार्बन नैनोट्यूब को जोड़ने से कंपोजिट प्राप्त करना संभव हो जाता है जिसमें यांत्रिक गुण बदलते हैं, और बहुत मजबूत मिश्रित सामग्री प्राप्त होती है, जिसमें विद्युत चालकता भी भिन्न होती है। यदि सामग्री कार्बन नैनोट्यूब की एक परत से ढकी हुई है, तो एक परत प्राप्त की जा सकती है जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों से सामग्री की रक्षा और ढाल करेगी।

ऊर्जा अनुप्रयोगों के बारे में क्या कहा जा सकता है: कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग लिथियम बैटरी में एनोड के रूप में, सुपरकैपेसिटर के रूप में किया जा सकता है, और इसके अलावा, वे सौर कोशिकाओं में कुशल तत्व हैं - रंगों पर, साथ ही साथ हेट्रोजंक्शन पर, जहां सिलिकॉन π- परत को एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब से बदल दिया गया है। इसके अलावा, कार्बन नैनोट्यूब से काफी विस्तृत वर्णक्रमीय रेंज के विभिन्न गैस और ऑप्टिकल सेंसर बनाना संभव है। कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग पारदर्शी इलेक्ट्रोड और ट्रांजिस्टर के रूप में किया जा सकता है। मैं इसके बारे में थोड़ा और विस्तार से बात करना चाहूंगा, लेकिन बाद में।

मैं कार्बन नैनोट्यूब की चालकता के बारे में बात करना चाहूंगा। जैसा कि मैंने कहा, एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब एक अच्छे धातु कंडक्टर और एक अद्भुत अर्धचालक दोनों हैं। चालकता का प्रकार समरूपता समूह द्वारा निर्धारित किया जाता है। यदि हम चिरायता सूचकांकों को जानते हैं, तो हम कार्बन नैनोट्यूब के धात्विक गुणों की भविष्यवाणी कर सकते हैं। यदि इन सूचकांकों के बीच का अंतर 0 या 3 का गुणज है, तो हमें कार्बन नैनोट्यूब मिलते हैं जिनमें धात्विक गुण होते हैं, जबकि अन्य सभी नैनोट्यूब अर्धचालक होंगे। जाहिर है, 1/3 कार्बन नैनोट्यूब धात्विक हैं और 2/3 अर्धचालक हैं। दुर्भाग्य से, वर्तमान में उपलब्ध विधियों में से कोई भी कार्बन नैनोट्यूब को एक निश्चित चिरायता के साथ संश्लेषित करना संभव नहीं बनाता है। चिरायता के बारे में क्या कहना है - एक निश्चित धातु के साथ भी कार्बन नैनोट्यूब प्राप्त करना असंभव है।

कार्बन परमाणुकरण के तरीकों के अनुसार, कार्बन नैनोट्यूब के संश्लेषण के सभी तरीकों को भौतिक और रासायनिक में विभाजित किया जा सकता है। भौतिक विधि कार्बन के वाष्पीकरण और उच्च बनाने की क्रिया पर आधारित है। हम जानते हैं कि ग्रेफाइट में वाष्प का दबाव बहुत कम होता है, इसलिए ग्रेफाइट को वाष्पीकृत करने के लिए इसे 3000 केल्विन से ऊपर के तापमान पर गर्म करना चाहिए। इसके लिए सोलर एनर्जी, इंडक्शन हीटिंग, लेजर एब्लेशन या इलेक्ट्रिक आर्क डिस्चार्ज का इस्तेमाल किया जा सकता है। कार्बन नैनोट्यूब अनुसंधान के शुरुआती दिनों में यह विधि बहुत लोकप्रिय थी, लेकिन, दुर्भाग्य से, उच्च तापमान परिणामी सामग्री के गुणों को नियंत्रित करने की अनुमति नहीं देता है। इसलिए, हाल के वर्षों में एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब के अध्ययन की ओर रुझान रहा है - अधिक सटीक रूप से, उनके उत्पादन के तरीके - रासायनिक विधियों द्वारा। यह विधि कार्बन यौगिकों के अपघटन पर आधारित है - ये हाइड्रोकार्बन, अल्कोहल, कीटोन, कोई भी कार्बनिक, कार्बन मोनोऑक्साइड हो सकते हैं।

बदले में, मैं रासायनिक विधियों को सबस्ट्रेट्स पर और गैस चरण में कार्बन नैनोट्यूब के संश्लेषण में विभाजित करूंगा। सबस्ट्रेट्स पर कार्बन नैनोट्यूब का संश्लेषण सबसे आम तरीका है। यह आपको कार्बन नैनोट्यूब प्राप्त करने की अनुमति देता है: आप एक निष्क्रिय सब्सट्रेट ले सकते हैं, उस पर उत्प्रेरक नैनोकणों का निर्माण कर सकते हैं, इस तरह के सब्सट्रेट को एक निश्चित समय (आमतौर पर 5, 10, 20 या 30 मिनट) के लिए रिएक्टर में रख सकते हैं, और फिर प्राप्त छवियों का आनंद ले सकते हैं। एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में आपके सब्सट्रेट पर। दूसरी ओर, एरोसोल विधि एक सब्सट्रेट के उपयोग पर आधारित नहीं है, और कार्बन नैनोट्यूब के गठन की सभी प्रक्रियाएं गैस चरण में होती हैं। यहां एक गंभीर समय सीमा है, क्योंकि रिएक्टर में भाप के इनपुट और आउटपुट के बीच लगभग 10-12 सेकंड बीत जाते हैं। इस समय के दौरान, सब कुछ होना चाहिए: उत्प्रेरक अग्रदूत का अपघटन (आमतौर पर या तो लोहे के पेंटाकार्बोनिल या फेरोसिन का उपयोग इस तरह के तरीकों में किया जाता है), फिर नैनोमीटर के आकार के उत्प्रेरक कणों का निर्माण, 1 से 5 नैनोमीटर तक, कार्बन का अपघटन या अपघटन उत्प्रेरक सतह पर घटक और कार्बन नैनोट्यूब का विकास। हर चीज में 12 सेकंड लगते हैं।

कार्बन नैनोट्यूब के अध्ययन के लिए एरोसोल विधि पहली बार 1999 में ह्यूस्टन विश्वविद्यालय में प्रस्तावित की गई थी। मैं लगभग 13 वर्षों से एरोसोल विधि द्वारा कार्बन नैनोट्यूब के संश्लेषण में भी शामिल रहा हूं। मेरा मानना ​​​​है कि यह विधि सबसे अधिक आशाजनक है, क्योंकि यह अप्रयुक्त उत्प्रेरक कणों के बिना उच्च गुणवत्ता वाले कार्बन नैनोट्यूब प्राप्त करने की अनुमति देती है, बिना अनाकार कार्बन के, यानी एक ऐसा उत्पाद जो रिएक्टर छोड़ने पर व्यापक उपयोग के लिए तैयार है। रिएक्टर के बाद कार्बन नैनोट्यूब फिल्टर पर जमा हो जाते हैं। फिर उन्हें किसी अन्य सब्सट्रेट में स्थानांतरित किया जा सकता है। इस प्रक्रिया में शाब्दिक रूप से कुछ ही सेकंड लगते हैं, लेकिन आपको उच्च गुणवत्ता वाले पारदर्शी इलेक्ट्रोड बहुत जल्दी प्राप्त करने की अनुमति मिलती है।

हमने अपने काम में फिल्टर से लेकर इलेक्ट्रॉनिक्स तक कई क्षेत्रों में कार्बन नैनोट्यूब का इस्तेमाल किया है। मैं कुछ उदाहरण दूंगा। एरोसोल फिल्टर। कार्बन नैनोट्यूब की एक फिल्म के माध्यम से, एयरोसोल कणों वाली एक गैस धारा जिसे हम प्रतिरोध पैदा किए बिना आसानी से पास से छुटकारा पाना चाहते हैं। इसके अलावा, नैनोपोर्स लगभग सभी वस्तुओं को फ़िल्टर करना संभव बनाते हैं। हमने इस तरह के एक फिल्टर की विशेषताओं को मापा और पाया कि एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब से बने फिल्टर का गुणवत्ता कारक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एनालॉग्स की तुलना में अधिक परिमाण का एक क्रम है। इसके अलावा, हमने कार्बन नैनोट्यूब को इलेक्ट्रोकेमिकल सेंसर के रूप में इस्तेमाल किया - मानक डोपामाइन परीक्षणों ने हमें काफी विस्तृत श्रृंखला में 100 मिलीनोमोल से कम संवेदनशीलता स्तर निर्धारित करने की अनुमति दी - एकाग्रता में परिमाण के लगभग 4 आदेश। कार्बन नैनोट्यूब फिल्म एक उल्लेखनीय लेजर अवशोषक है जो किसी को 200 फेमटोसेकंड दालों को प्राप्त करने की अनुमति देता है। इसके अलावा, कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग फ्लो मीटर, एयर हीटर, गरमागरम लैंप और अन्य उपकरणों के रूप में किया जा सकता है। हमने स्वतंत्र रूप से निलंबित कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग करके एक थर्मोअकॉस्टिक लाउडस्पीकर भी बनाया है। इसके अलावा, पारदर्शी इलेक्ट्रोड में उत्कृष्ट गुण होते हैं, जो मुझे विश्वास है कि जल्द ही बाजार में होंगे, क्योंकि एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब पर आधारित पारदर्शी इलेक्ट्रोड में टिन के साथ डोप किए गए इंडियम ऑक्साइड की तुलना में उत्कृष्ट विशेषताएं हैं।

एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स में पारदर्शी इलेक्ट्रोड के रूप में किया जा सकता है और सबसे अधिक संभावना है। अंग्रेजी में इसे कहते हैं आईटीओ प्रतिस्थापन- टिन-डॉप्ड इंडियम ऑक्साइड का प्रतिस्थापन, यह वह सामग्री है जिसका उपयोग 75% मोबाइल फोन और गैजेट्स में किया जाता है। यह ज्ञात है कि इंडियम एक दुर्लभ-पृथ्वी सामग्री है, इसके अलावा, टिन-डॉप्ड इंडियम ऑक्साइड एक भंगुर सामग्री है जिसका उपयोग लचीले और पारदर्शी इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए नहीं किया जा सकता है, जबकि एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब, अधिक सटीक रूप से उनसे बनी फिल्में, कर सकते हैं सतह के प्रतिरोध में वस्तुतः कोई बदलाव नहीं होने के साथ कई दसियों हज़ार बार झुकें। इसके अलावा, पतली-फिल्म क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर हमारी सामग्री से बनाए जा सकते हैं, जिनमें पारंपरिक सिलिकॉन प्रौद्योगिकियों के स्तर पर उल्लेखनीय विशेषताएं हैं, और कभी-कभी उनसे भी अधिक होती हैं, 106 और 108 के चालू अनुपात के साथ और साथ में एक सेकंड के लिए 1000 या अधिक वर्ग सेंटीमीटर प्रति वोल्ट के क्रम की चार्ज वाहक गतिशीलता।

कार्बन नैनोट्यूब के संश्लेषण और फिल्टर पर जमा फिल्मों की तैयारी के लिए एरोसोल विधि लचीले और पारदर्शी इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए घटकों की तैयारी के लिए एक अनूठा अवसर है। कमरे के तापमान पर जमाव होता है, इस तकनीक को वैक्यूम की आवश्यकता नहीं होती है, यह काफी तेज और सस्ता है। हमारा लक्ष्य लचीले और पारदर्शी इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग के लिए रोल प्रौद्योगिकी का उपयोग करने की संभावना के साथ कार्बन नैनोट्यूब का बड़े पैमाने पर उत्पादन करना है।

कार्बन नैनोट्यूब वह सामग्री है जिसका कई वैज्ञानिक सपना देखते हैं। उच्च शक्ति कारक, उत्कृष्ट तापीय और विद्युत चालकता, अग्नि प्रतिरोध और वजन गुणांक अधिकांश ज्ञात सामग्रियों की तुलना में अधिक परिमाण का एक क्रम है। कार्बन नैनोट्यूब एक ग्रेफीन शीट होती है जो एक ट्यूब में लुढ़क जाती है। रूसी वैज्ञानिक कॉन्स्टेंटिन नोवोसेलोव और एंड्री गीम को इसकी खोज के लिए 2010 में नोबेल पुरस्कार मिला था।

1952 में पहली बार सोवियत वैज्ञानिक लोहे के उत्प्रेरक की सतह पर कार्बन ट्यूब देख सकते थे। हालांकि, वैज्ञानिकों को नैनोट्यूब को एक आशाजनक और उपयोगी सामग्री के रूप में देखने में पचास साल लग गए। इन नैनोट्यूब का एक खास गुण यह है कि उनके गुण ज्यामिति द्वारा निर्धारित होते हैं। तो उनके विद्युत गुण घुमा के कोण पर निर्भर करते हैं - नैनोट्यूब अर्धचालक और धातु चालकता प्रदर्शित कर सकते हैं।

नैनोटेक्नोलॉजी के कई आशाजनक क्षेत्र आज कार्बन नैनोट्यूब से जुड़े हुए हैं। सीधे शब्दों में कहें, कार्बन नैनोट्यूब विशाल अणु या ढांचा संरचनाएं हैं जिनमें केवल कार्बन परमाणु होते हैं। ऐसे नैनोट्यूब की कल्पना करना आसान है अगर हम कल्पना करें कि ग्रेफीन को एक ट्यूब में घुमाया जा रहा है - यह ग्रेफाइट की आणविक परतों में से एक है। नैनोट्यूब फोल्डिंग की विधि काफी हद तक दी गई सामग्री के अंतिम गुणों को निर्धारित करती है।

स्वाभाविक रूप से, कोई भी नैनोट्यूब को विशेष रूप से ग्रेफाइट की शीट से रोल करके नहीं बनाता है। नैनोट्यूब स्वयं बनते हैं, उदाहरण के लिए, कार्बन इलेक्ट्रोड की सतह पर या उनके बीच एक चाप निर्वहन के दौरान। निर्वहन के दौरान कार्बन परमाणु सतह से वाष्पित हो जाते हैं और एक दूसरे के साथ जुड़ जाते हैं। नतीजतन, विभिन्न प्रकार के नैनोट्यूब बनते हैं - बहुपरत, एकल-परत, और विभिन्न मोड़ कोणों के साथ।

नैनोट्यूब का मुख्य वर्गीकरण उनकी घटक परतों की संख्या पर आधारित है:

• एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब सबसे सरल प्रकार के नैनोट्यूब हैं। उनमें से अधिकांश की लंबाई के साथ 1 एनएम के क्रम का व्यास है जो हजारों गुना लंबा हो सकता है;
• बहुपरत नैनोट्यूब, जिसमें ग्राफीन की कई परतें होती हैं, वे एक ट्यूब के आकार में बदल जाते हैं। परतों के बीच 0.34 एनएम की दूरी बनती है, यानी ग्रेफाइट क्रिस्टल में परतों के बीच की दूरी के समान।

युक्ति

नैनोट्यूब कार्बन की विस्तारित बेलनाकार संरचनाएं हैं, जो कई सेंटीमीटर लंबी और एक से कई दसियों नैनोमीटर व्यास तक की हो सकती हैं। साथ ही, आज ऐसी प्रौद्योगिकियां हैं जो उन्हें असीमित लंबाई के धागे में बुने जाने की अनुमति देती हैं। उनमें एक या एक से अधिक ग्राफीन विमान एक ट्यूब में लुढ़के होते हैं, जो आमतौर पर एक गोलार्द्ध के सिर में समाप्त होते हैं।

नैनोट्यूब का व्यास कई नैनोमीटर होता है, यानी एक मीटर का कई अरबवां हिस्सा। कार्बन नैनोट्यूब की दीवारें षट्भुजों से बनी होती हैं जिनके शीर्ष पर कार्बन परमाणु होते हैं। ट्यूबों में एक अलग प्रकार की संरचना हो सकती है, यह वह है जो उनके यांत्रिक, इलेक्ट्रॉनिक और रासायनिक गुणों को प्रभावित करता है। सिंगल-लेयर ट्यूब में कम दोष होते हैं, साथ ही, एक निष्क्रिय वातावरण में उच्च तापमान पर एनीलिंग के बाद, दोष मुक्त ट्यूब भी प्राप्त की जा सकती हैं। बहु-दीवार वाले नैनोट्यूब मानक एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब से बहुत व्यापक प्रकार के विन्यास और आकार में भिन्न होते हैं।

कार्बन नैनोट्यूब को कई तरह से संश्लेषित किया जा सकता है, लेकिन सबसे आम हैं:

• चाप निर्वहन. विधि एक चाप निर्वहन के प्लाज्मा में फुलरीन के उत्पादन के लिए तकनीकी प्रतिष्ठानों पर नैनोट्यूब के उत्पादन को सुनिश्चित करती है, जो एक हीलियम वातावरण में जलता है। लेकिन आर्किंग के अन्य तरीकों का उपयोग यहां किया जाता है: उच्च हीलियम दबाव और कम वर्तमान घनत्व, साथ ही बड़े व्यास कैथोड। कैथोड जमा में लंबाई में 40 माइक्रोन तक नैनोट्यूब होते हैं; वे कैथोड से लंबवत बढ़ते हैं और बेलनाकार बंडलों में संयोजित होते हैं।
• लेजर पृथक विधि . विधि एक विशेष उच्च तापमान रिएक्टर में ग्रेफाइट लक्ष्य के वाष्पीकरण पर आधारित है। नैनोट्यूब रिएक्टर की ठंडी सतह पर ग्रेफाइट वाष्पीकरण घनीभूत के रूप में बनते हैं। यह विधि मुख्य रूप से तापमान के माध्यम से नियंत्रित आवश्यक व्यास के साथ एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब प्राप्त करने की अनुमति देती है। लेकिन यह तरीका दूसरों की तुलना में कहीं ज्यादा महंगा है।
• रासायनिक वाष्प निक्षेपन . इस विधि में उत्प्रेरक परत के साथ एक सब्सट्रेट तैयार करना शामिल है, जो लोहे, कोबाल्ट, निकल या उसके संयोजन के कण हो सकते हैं। इस तरह से उगाए गए नैनोट्यूब का व्यास इस्तेमाल किए गए कणों के आकार पर निर्भर करेगा। सब्सट्रेट 700 डिग्री तक गर्म होता है। नैनोट्यूब के विकास को आरंभ करने के लिए, एक कार्बन युक्त गैस और एक प्रक्रिया गैस (हाइड्रोजन, नाइट्रोजन, या अमोनिया) को रिएक्टर में पेश किया जाता है। नैनोट्यूब धातु उत्प्रेरक स्थलों पर उगते हैं।

अनुप्रयोग और सुविधाएँ

• फोटोनिक्स और प्रकाशिकी में अनुप्रयोग . नैनोट्यूब के व्यास का चयन करके, एक बड़ी वर्णक्रमीय सीमा में ऑप्टिकल अवशोषण प्रदान कर सकता है। एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब संतृप्त अवशोषण की एक मजबूत गैर-रैखिकता दिखाते हैं, अर्थात वे पर्याप्त तीव्र प्रकाश में पारदर्शी हो जाते हैं। इसलिए, उनका उपयोग फोटोनिक्स के क्षेत्र में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, राउटर और स्विच में, अल्ट्राशॉर्ट लेजर पल्स बनाने और ऑप्टिकल सिग्नल को पुन: उत्पन्न करने के लिए।
• इलेक्ट्रॉनिक्स में आवेदन . फिलहाल, इलेक्ट्रॉनिक्स में नैनोट्यूब का उपयोग करने के कई तरीकों की घोषणा की गई है, लेकिन उनमें से केवल एक छोटा सा हिस्सा ही लागू किया जा सकता है। सबसे बड़ी रुचि पारदर्शी कंडक्टरों में गर्मी प्रतिरोधी इंटरफेसियल सामग्री के रूप में नैनोट्यूब का उपयोग है।

इलेक्ट्रॉनिक्स में नैनोट्यूब को पेश करने के प्रयासों की प्रासंगिकता इंडियम को हीट सिंक में बदलने की आवश्यकता के कारण होती है, जो उच्च-शक्ति ट्रांजिस्टर, ग्राफिक्स प्रोसेसर और केंद्रीय प्रोसेसर में उपयोग किए जाते हैं, क्योंकि इस सामग्री के स्टॉक कम हो रहे हैं, और इसकी कीमत बढ़ रही है। .

• सेंसर का निर्माण . सेंसर के लिए कार्बन नैनोट्यूब सबसे दिलचस्प समाधानों में से एक है। एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब से बनी अल्ट्राथिन फिल्में वर्तमान में इलेक्ट्रॉनिक सेंसर के लिए सबसे अच्छा आधार बन सकती हैं। उन्हें विभिन्न तरीकों का उपयोग करके उत्पादित किया जा सकता है।
• बायोचिप्स, बायोसेंसर का निर्माण , जैव प्रौद्योगिकी उद्योग में लक्षित वितरण और दवाओं की कार्रवाई का नियंत्रण। इस दिशा में फिलहाल पूरी ताकत से काम किया जा रहा है। नैनोटेक्नोलॉजी का उपयोग करके किए गए उच्च-थ्रूपुट विश्लेषण से प्रौद्योगिकी को बाजार में लाने में लगने वाले समय में काफी कमी आएगी।
• आज तेजी से बढ़ रहा है नैनोकम्पोजिट का उत्पादन , ज्यादातर बहुलक। जब कार्बन नैनोट्यूब की थोड़ी मात्रा भी उनमें डाली जाती है, तो पॉलिमर के गुणों में एक महत्वपूर्ण परिवर्तन प्रदान किया जाता है। इसलिए वे तापीय और रासायनिक प्रतिरोध, तापीय चालकता, विद्युत चालकता बढ़ाते हैं, यांत्रिक विशेषताओं में सुधार करते हैं। दर्जनों सामग्रियों में कार्बन नैनोट्यूब जोड़कर उनमें सुधार किया गया है;

- नैनोट्यूब के साथ पॉलिमर पर आधारित मिश्रित फाइबर;
- एडिटिव्स के साथ सिरेमिक कंपोजिट। सिरेमिक का दरार प्रतिरोध बढ़ता है, विद्युत चुम्बकीय विकिरण की सुरक्षा दिखाई देती है, विद्युत और तापीय चालकता बढ़ जाती है;
- नैनोट्यूब के साथ कंक्रीट - ग्रेड, ताकत, दरार प्रतिरोध में वृद्धि, संकोचन घट जाती है;
- धातु कंपोजिट। विशेष रूप से तांबे के कंपोजिट, जिनके यांत्रिक गुण साधारण तांबे की तुलना में कई गुना अधिक होते हैं;
- हाइब्रिड कंपोजिट, जिसमें एक साथ तीन घटक होते हैं: अकार्बनिक या बहुलक फाइबर (कपड़े), एक बांधने की मशीन और नैनोट्यूब।

फायदे और नुकसान

कार्बन नैनोट्यूब के फायदों में से हैं:

• कई अद्वितीय और वास्तव में उपयोगी गुण जिन्हें ऊर्जा दक्षता समाधान, फोटोनिक्स, इलेक्ट्रॉनिक्स और अन्य अनुप्रयोगों के क्षेत्र में लागू किया जा सकता है।
• यह एक नैनोमटेरियल है जिसमें उच्च शक्ति कारक, उत्कृष्ट तापीय और विद्युत चालकता और अग्नि प्रतिरोध है।
• अन्य सामग्रियों के गुणों में सुधार के लिए उनमें कार्बन नैनोट्यूब की एक छोटी मात्रा को शामिल करना।
• ओपन-एंडेड कार्बन नैनोट्यूब एक केशिका प्रभाव प्रदर्शित करते हैं, जिसका अर्थ है कि वे पिघली हुई धातुओं और अन्य तरल पदार्थों को आकर्षित कर सकते हैं;
• नैनोट्यूब ठोस और अणुओं के गुणों को मिलाते हैं, जिससे महत्वपूर्ण संभावनाएं खुलती हैं।

कार्बन नैनोट्यूब के नुकसानों में से हैं:

• कार्बन नैनोट्यूब वर्तमान में औद्योगिक पैमाने पर उत्पादित नहीं होते हैं, इसलिए उनका व्यावसायिक उपयोग सीमित है।
• कार्बन नैनोट्यूब की उत्पादन लागत अधिक है, जो उनके अनुप्रयोग को भी सीमित करती है। हालांकि, वैज्ञानिक अपने उत्पादन की लागत को कम करने के लिए कड़ी मेहनत कर रहे हैं।
• सटीक निर्दिष्ट गुणों के साथ कार्बन नैनोट्यूब बनाने के लिए उत्पादन प्रौद्योगिकियों में सुधार की आवश्यकता।

संभावनाओं

निकट भविष्य में, कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग हर जगह किया जाएगा, इनका उपयोग निम्नलिखित बनाने के लिए किया जाएगा:

• नैनोबैलेंस, मिश्रित सामग्री, भारी शुल्क वाले धागे।
• ईंधन सेल, पारदर्शी प्रवाहकीय सतह, नैनोवायर, ट्रांजिस्टर।
• नवीनतम न्यूरोकंप्यूटर विकास।
• डिस्प्ले, एलईडी।
• धातुओं और गैसों के भंडारण के लिए उपकरण, सक्रिय अणुओं के लिए कैप्सूल, नैनोपिपेट।
• दवा वितरण और संचालन के लिए मेडिकल नैनोरोबोट्स।
• अति उच्च संवेदनशीलता के साथ लघु सेंसर। ऐसे नैनोसेंसर जैव प्रौद्योगिकी, चिकित्सा और सैन्य अनुप्रयोगों में आवेदन पा सकते हैं।
• अंतरिक्ष लिफ्ट के लिए केबल।
• फ्लैट पारदर्शी लाउडस्पीकर।
• कृत्रिम मांसपेशियां। भविष्य में, साइबरबॉर्ग, रोबोट दिखाई देंगे, विकलांग पूर्ण जीवन में लौट आएंगे।
• इंजन और बिजली जनरेटर।
• स्मार्ट, हल्के और आरामदायक कपड़े जो किसी भी विपत्ति से रक्षा करेंगे।
• फास्ट चार्जिंग के साथ सुरक्षित सुपरकैपेसिटर।

यह सब भविष्य में है, क्योंकि कार्बन नैनोट्यूब के निर्माण और उपयोग के लिए औद्योगिक प्रौद्योगिकियां विकास के प्रारंभिक चरण में हैं, और उनकी कीमत बेहद महंगी है। लेकिन रूसी वैज्ञानिकों ने पहले ही घोषणा कर दी है कि उन्होंने इस सामग्री को बनाने की लागत को दो सौ गुना कम करने का एक तरीका खोज लिया है। कार्बन नैनोट्यूब के उत्पादन के लिए इस अनूठी तकनीक को वर्तमान में गुप्त रखा गया है, लेकिन इसे उद्योग और कई अन्य क्षेत्रों में क्रांति लानी चाहिए।

कार्बन नैनोट्यूब उद्योग और सामग्री विज्ञान की एक नई शाखा बनाते हैं

"नैनो" श्रेणी के पदार्थ, यानी 100 एनएम से कम कणों के साथ, आज तकनीकी कार्बन (कालिख) और सिलिका जेल ("सफेद कालिख") द्वारा दर्शाए जाते हैं। अन्य नैनोमटेरियल्स के उत्पादन की मात्रा अतुलनीय रूप से कम है। लेकिन अब स्थिति बदल रही है, कार्बन नैनोट्यूब बाजार में प्रवेश कर चुके हैं। कार्बन नैनोट्यूब- ये विस्तारित बेलनाकार संरचनाएं हैं जिनमें एक या एक से अधिक हेक्सागोनल (ज्यामितीय रूप से एक छत्ते के समान) ग्रेफाइट विमान एक ट्यूब में लुढ़के होते हैं

19वीं शताब्दी के अंत में कार्बन माइक्रोट्यूब का पेटेंट कराया गया था, और नैनोट्यूब को पहली बार 1950 के दशक में मॉस्को इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिकल केमिस्ट्री में प्राप्त किया गया था, फिर 1970 के दशक में जापान में, और अंत में 1991 में जापान में "खोजा" गया। तब से, पाइप में रुचि लगातार बढ़ी है।

आवश्यक गुणों के सेट के संदर्भ में नैनोट्यूब का कोई एनालॉग नहीं है

• नैनोट्यूब में कार्बन परमाणुओं के एक दूसरे से बंधन में रिकॉर्ड ताकत होती है। नैनोट्यूब का यंग मापांक (तनाव या संपीड़न के लिए किसी पदार्थ के प्रतिरोध की विशेषता वाला दबाव आयाम) 1 टीपीए (लगभग 1 मिलियन वायुमंडल - हीरे की तुलना में अधिक) से अधिक है। नैनोट्यूब की तापीय चालकता तांबे की तुलना में आठ गुना अधिक है, और विद्युत चालकता ओम के नियम का पालन नहीं करती है। ट्यूबों में वर्तमान घनत्व उस घनत्व से एक हजार गुना अधिक हो सकता है जिस पर तांबे के तार फटते हैं।

नैनोट्यूब का विश्व उत्पादन प्रति वर्ष 1,000 टन से अधिक हो गया है। कार्बन नैनोट्यूब या कार्बन नैनोट्यूब युक्त सामग्री का उपयोग अर्थव्यवस्था का एक नया क्षेत्र बन गया है जो वैश्विक वित्तीय संकट से प्रभावित नहीं हुआ है।

• 2010 में नैनोट्यूब की वैश्विक मांग 10,000 टन अनुमानित है। वे 40 से अधिक कंपनियों द्वारा उत्पादित किए जाते हैं। जर्मन बायर 2012 तक उत्पादन क्षमता को 3,000 टन/वर्ष तक विस्तारित करने की योजना है, फ्रेंच अरकेमा 400 टन की वार्षिक क्षमता वाला एक संयंत्र है, चीनी सीनानो - 500 t/g, और बेल्जियन नैनोसिल - 400 टी / जी। 500 t/y तक कार्बन नैनोफाइबर का उत्पादन बढ़ जाता है जापानी शोवा डेन्को .

• नैनोस्ट्रक्चर सामग्री को दो बड़े समूहों में बांटा गया है। एक की सामग्री 95-100% नैनोट्यूब हैं। दूसरे की सामग्री - नैनोकम्पोजिट्स - इसके विपरीत, कुछ नैनोट्यूब होते हैं, 5% तक।

नैनोट्यूब सामग्री

नैनोट्यूब का आकार उन्हें दो तरीकों से ढेर करने की अनुमति देता है: यादृच्छिक रूप से या आदेशित, जो सामग्री के गुणों को प्रभावित करता है। नैनोट्यूब को विभिन्न रासायनिक समूहों और नैनोकणों को जोड़कर संशोधित किया जा सकता है। यह स्वयं नैनोट्यूब के गुणों और उनकी सामग्री को भी बदलता है।

• पहले समूह की सामग्रियों में नैनोट्यूब की "मोनोलिथिक" संरचनाएं शामिल हैं; ट्यूबों से कोटिंग्स, फिल्म और नैनोपेपर; ट्यूब फाइबर; "वन" - नैनोट्यूब एक दूसरे के समानांतर और सब्सट्रेट के लंबवत व्यवस्थित होते हैं। "मोनोलिथिक" सामग्री का व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया जाता है।

उलझे हुए लंबे नैनोट्यूब से, एक "रबर" को अलग किया गया था जो -140 से +900 डिग्री सेल्सियस के चक्रीय भार और तापमान के तहत विनाश के लिए प्रतिरोधी है। इसका प्रदर्शन सिलिकॉन रबर से कहीं बेहतर है, जिसे सबसे अच्छा विस्कोलेस्टिक सामग्री माना जाता है।

• कोटिंग्स, फिल्म और नैनोपेपर या तो ट्यूबों के संश्लेषण के दौरान या उनके फैलाव (कोलाइडल समाधान) से प्राप्त होते हैं। विधियों का पहला समूह उच्च तापमान है, दूसरे को हीटिंग की आवश्यकता नहीं है। ट्यूबों से सबसे सरल मैक्रोमटेरियल, नैनोपेपर, की मोटाई 10-30 एनएम है और यह फैलाव को छानकर तैयार किया जाता है।

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कंपनी नैनोकॉम्प टेक्नोलॉजीज (यूएसए) लगभग 3 एम2 के क्षेत्र के साथ नैनोपेपर की चादरें बेचता है और 4-6 टन/वर्ष की क्षमता के साथ एक उत्पादन सुविधा स्थापित करने की योजना बना रहा है। नैनोपेपर के रोल प्राप्त करने के लिए कार्यान्वित तरीके।

• फिल्टर नैनोपेपर (वायरस या पानी के विलवणीकरण को हटाने के लिए), विद्युत चुम्बकीय विकिरण, हीटर भागों, सेंसर, एक्चुएटर्स, फील्ड एमिटर, इलेक्ट्रोकेमिकल उपकरणों के इलेक्ट्रोड, उत्प्रेरक वाहक, आदि से सुरक्षा के लिए बनाए जाते हैं।

पारदर्शी प्रवाहकीय फिल्में और कोटिंग्स इंडियम और टिन ऑक्साइड के ठोस समाधान के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं और इलेक्ट्रॉनिक्स, सेंसर और फोटोवोल्टिक में इस महंगी और भंगुर सामग्री को बदल सकते हैं।

• अमेरिकी कंपनी ईकोसो विकसित किया गया है और 2005 से रचना की आपूर्ति कर रहा है Invisicon स्याही सब्सट्रेट पर नैनोट्यूब की पतली फिल्मों को जमा करने के लिए।

कार्बन नैनोट्यूब फाइबर पृथ्वी की कक्षा में आर्थिक रूप से पेलोड उठाने के लिए आदर्श "स्पेस एलेवेटर" टीथर सामग्री प्रतीत होता है। हालांकि, नैनोट्यूब के गुणों को मैक्रोमैटेरियल्स में स्थानांतरित करना एक साधारण कार्य से बहुत दूर निकला।

• फाइबर विभिन्न तरीकों से प्राप्त होते हैं। "सूखी" विधियों में हाइड्रोकार्बन के पायरोलिसिस के दौरान गठित एयरजेल और "लकड़ी" से कताई शामिल है।

एयरजेल से रेशों को खींचने और घुमाने की तकनीक - "सॉफ्ट स्मोक" - विकसित की गई थी कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय . एक हाइड्रोकार्बन को उच्च तापमान पर प्रतिक्रिया क्षेत्र में खिलाया जाता है, जिससे एक एयरजेल (यानी, एक जेल जिसमें तरल चरण पूरी तरह से गैसीय द्वारा बदल दिया जाता है) बनता है। इससे, पुराने दिनों की तरह, एक टो से फाइबर काता जाता है। इज़राइल में, कैम्ब्रिज नैनोट्यूब युक्त हाइब्रिड कंपोजिट से बॉडी आर्मर और सुरक्षात्मक कोटिंग्स बनाने के लिए 2010 में एक कंपनी की स्थापना की गई थी।

• "जंगल" से कताई करना रेशम के कीड़ों से रेशम के धागे प्राप्त करने जैसा है।

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फाइबर के उत्पादन के लिए समाधान के तरीके - एक तरल धारा में फैलाव को बाहर निकालना या सुपरएसिड (सल्फ्यूरिक से मजबूत एसिड) में कोलाइडल समाधान से ड्राइंग।

• कंपनी नैनोकॉम्प टेक्नोलॉजीज 10 किमी तक लंबे मजबूत फाइबर की आपूर्ति की घोषणा की, जिसके निर्माण के लिए लंबे नैनोट्यूब का उपयोग किया जाता है। मुड़े हुए धागों में 3 GPa की ताकत होती है और कुछ मामलों में पहले से ही केवलर से बेहतर होते हैं।

गुणों के एक सेट के संदर्भ में "वन" का कोई एनालॉग नहीं है - यह एक लोचदार, विद्युत और तापीय प्रवाहकीय सामग्री है जो विभिन्न रूपों को ले सकती है और संशोधित की जा सकती है। 2004 में, एक उच्च-प्रदर्शन "वन" सुपरग्रोथ प्रक्रिया का वर्णन किया गया था: 15-18 मिमी तक बहुत शुद्ध कार्बन नैनोट्यूब प्राप्त करना, जो उनकी लागत को काफी कम करता है।

• जापान सुपरग्रोथ प्रक्रिया के आधार पर उत्पादन शुरू करने की तैयारी कर रहा है। इसकी क्षमता एकल-दीवार वाले नैनोट्यूब की केवल 600 g/h है, लेकिन इसे जल्द ही 10 t/g तक बढ़ाने की योजना है।

पॉलिमर-आधारित कंपोजिट के एक घटक के रूप में "वन" का उपयोग सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड, फील्ड एमिटर और सौर सेल बनाने के लिए किया जा सकता है। सब्सट्रेट की सतह पर "जंगल" बिछाकर, घने रिबन प्राप्त किए गए थे। विशिष्ट विद्युत चालकता के संदर्भ में, वे धातुओं को पार कर सकते हैं और एयरोस्पेस उद्योग में आवेदन पाएंगे।

• समानांतर नैनोट्यूब से बने कृत्रिम मांसपेशी बैंड 80 से 1900 K के तापमान पर काम करते हैं और जब एक विद्युत क्षमता लागू होती है, तो बहुत अधिक बढ़ाव प्रदान करते हैं। यांत्रिक ऊर्जा में बिजली के ऐसे कन्वर्टर्स पीजोक्रिस्टल की तुलना में बहुत अधिक कुशल हैं।

नैनोट्यूब के मिश्रण वाली सामग्री

दूसरे समूह की सामग्री का उत्पादन - नैनोकम्पोजिट्स, मुख्य रूप से पॉलिमर, तेजी से बढ़ रहा है।

• कार्बन नैनोट्यूब की थोड़ी मात्रा में भी परिचय पॉलिमर के गुणों को महत्वपूर्ण रूप से बदलता है, विद्युत चालकता प्रदान करता है, थर्मल चालकता बढ़ाता है, यांत्रिक विशेषताओं, रासायनिक और थर्मल स्थिरता में सुधार करता है। दर्जनों विभिन्न पॉलिमर पर आधारित नैनोकम्पोजिट बनाए गए हैं, और उनकी तैयारी के लिए कई तरीके विकसित किए गए हैं।

नैनोट्यूब के साथ पॉलिमर के आधार पर बनाए गए समग्र फाइबर का व्यापक रूप से उपयोग किया जा सकता है।

• कंपनी के लगभग सभी बायर पॉलिमर कंपोजिट के लिए नैनोट्यूब का उपयोग किया जाता है। कंपनी अरकेमा थर्मोप्लास्टिक कंपोजिट के लिए अपने नैनोट्यूब की आपूर्ति करता है, और नैनोसिल - कार्बन फाइबर के साथ थर्मोश्रिंकेबल पॉलिमर और प्रीप्रेग के लिए (प्रीप्रेग आगे की प्रक्रिया के लिए अर्ध-तैयार मिश्रित सामग्री हैं)।

अमेरिकी कंपनी हाइपरियन कटैलिसीस इंट। , नैनोट्यूब के औद्योगिक उत्पादन में अग्रणी, एपॉक्सी रेजिन और पॉलिमर में शामिल करने के लिए कॉन्संट्रेट का उत्पादन करता है।

नैनोट्यूब के प्रकार

• सिरेमिक कंपोजिट कई दुर्दम्य पदार्थों के आधार पर बनाए जाते हैं, हालांकि, औद्योगिक विकास के संदर्भ में, वे पॉलिमर पर आधारित नैनोकम्पोजिट से काफी नीच हैं। पॉलिमर के मामले में, नैनोट्यूब की थोड़ी मात्रा के अतिरिक्त विद्युत और तापीय चालकता को बढ़ाते हैं, विद्युत चुम्बकीय विकिरण से बचाने की क्षमता देते हैं, और, सबसे महत्वपूर्ण बात, सिरेमिक के दरार प्रतिरोध को बढ़ाते हैं।

कंक्रीट में बहुत कम मात्रा में नैनोट्यूब का परिचय इसकी ग्रेड, दरार प्रतिरोध, ताकत बढ़ाता है, और संकोचन को कम करता है।

• धातु के कंपोजिट सामान्य अलौह धातुओं और मिश्र धातुओं के साथ बनाए जाते हैं। तांबे के कंपोजिट पर सबसे अधिक ध्यान दिया जाता है, जिसके यांत्रिक गुण तांबे की तुलना में दो से तीन गुना अधिक होते हैं। कई यौगिकों ने ताकत और कठोरता में वृद्धि की है, थर्मल विस्तार और घर्षण के कम गुणांक हैं।

हाइब्रिड कंपोजिट में आमतौर पर तीन घटक होते हैं: पॉलिमरिक या अकार्बनिक फाइबर (कपड़े), नैनोट्यूब और एक बाइंडर। इस वर्ग में शामिल हैं प्रीप्रेग्स .

• एक अमेरिकी कंपनी नैनोट्यूब के साथ प्रीप्रेग के उत्पादन में माहिर है Zyvex प्रदर्शन सामग्री . नैनोट्यूब प्रीप्रेग की ताकत और कठोरता को 30-50% तक बढ़ा देते हैं। Prepregs मानव रहित समुद्री टोही नौकाओं का निर्माण करते थे "पिरान्हा" .

संयुक्त राज्य अमेरिका में 2009 में, नैनोट्यूब के साथ एक समग्र से बने इंजन फेयरिंग के साथ पहला हवाई कलाबाजी विमान ने उड़ान भरी। एयरफ्रेम के कुछ तत्व एफ-35 कंपनियों मार्टिन लॉकहीड इस तरह के कंपोजिट से बना, एक यात्री एयरफ्रेम के लगभग 100 हिस्से बोइंग 787 नैनोट्यूब का उपयोग करके किया जाना चाहिए।

• कंपनी नैनोसिल ट्यूबों के साथ एपॉक्सी राल पैदा करता है एपोसिल और प्रीप्रेग प्रीगसिल ग्लास फाइबर, कार्बन या आर्मीड फाइबर के आधार पर। एडिटिव्स दरार प्रतिरोध को 100% बढ़ाते हैं, इंटरलामिनर कतरनी ताकत 15% तक बढ़ाते हैं और थर्मल विस्तार के गुणांक को कम करते हैं। यह बुलेटप्रूफ बनियान के लिए ऑटोमोटिव और एविएशन उद्योगों में कंपोजिट का उपयोग करने वाला है। वे पवन टरबाइन के 49-मीटर ब्लेड के वजन को 7.3 से घटाकर 5.8 टन कर देते हैं।

फिनिश कंपनी Amroy यूरोप Oy नैनोट्यूब उत्पादन का उपयोग करना बायर , एपॉक्सी ध्यान केंद्रित करता है हाइबोनाइट समुद्री जहाजों, पवन टरबाइन, खेल उपकरण आदि के लिए।

• प्रीप्रेग कैनेडियन के लिए नैनोलेज कंपनी के ट्यूब का उपयोग करता है बायर , लेकिन नैनोकॉम्प टेक्नोलॉजीज नैनोपेपर के बड़े क्षेत्र की चादरें और रोल तैयार करता है।

हाइब्रिड कंपोजिट क्षति सेंसर गुणों को प्रदर्शित कर सकते हैं।

• विभिन्न मैट्रिक्स के साथ बायोकंपोजिट भी बनाए गए हैं। हड्डी प्रत्यारोपण के लिए सामग्री, बढ़ती मांसपेशियों और हड्डी के ऊतकों के लिए फिल्म, आंख की रेटिना और उपकला कोशिकाओं, न्यूरॉन्स के नेटवर्क, साथ ही साथ जैव-कार्यात्मक कंपोजिट और बायोसेंसर का अध्ययन किया जा रहा है।

उदाहरण नैनोट्यूब के साथ सामग्री की विविधता और गुणों को समाप्त नहीं करते हैं। उनके आवेदन के क्षेत्रों का विस्तार हो रहा है, वे नैनोस्ट्रक्चर सामग्री विज्ञान के विकास के स्तर को निर्धारित करने लगे हैं, अलग-अलग देशों में विज्ञान और प्रौद्योगिकी की सामान्य स्थिति।

एडुआर्ड राकोव, डॉक्टर ऑफ केमिस्ट्री, नैनोटेक्नोलॉजी और नैनोमटेरियल्स विभाग के प्रमुख, रूसी रासायनिक तकनीकी विश्वविद्यालय के नाम पर। डि मेंडलीव