ნახშირბადის ნანომილები, მათი წარმოება, თვისებები და გამოყენება. ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები ეგციტონები და ბიექსციტონები ნანომილაკებში

მტევნის კიდევ ერთი კლასი იყო წაგრძელებული ცილინდრული ნახშირბადის წარმონაქმნები, რომლებსაც მოგვიანებით, მათი სტრუქტურის გარკვევის შემდეგ, ეწოდა " ნახშირბადის ნანომილები CNTs არის დიდი, ზოგჯერ ზედმეტად დიდი (106 ატომზე მეტი) მოლეკულები, რომლებიც აგებულია ნახშირბადის ატომებისგან.

Ტიპიური სტრუქტურული სქემაერთკედლიანი CNT და მისი მოლეკულური ორბიტალების კომპიუტერული გამოთვლის შედეგი ნაჩვენებია ნახ. 3.1. თეთრი ხაზებით გამოსახული ყველა ექვსკუთხედისა და ხუთკუთხედის წვეროებზე არის ნახშირბადის ატომები sp 2 ჰიბრიდიზაციის მდგომარეობაში. იმისათვის, რომ CNT ჩარჩო სტრუქტურა ნათლად იყოს ხილული, ნახშირბადის ატომები აქ არ არის ნაჩვენები. მაგრამ მათი წარმოდგენაც არ არის რთული. ნაცრისფერი ტონი გვიჩვენებს CNT-ების გვერდითი ზედაპირის მოლეკულური ორბიტალების ხედს.

სურათი 3.1

თეორია გვიჩვენებს, რომ ერთკედლიანი CNT-ის გვერდითი ზედაპირის სტრუქტურა შეიძლება წარმოვიდგინოთ, როგორც გრაფიტის ერთი ფენა, რომელიც შემოვიდა მილში. ნათელია, რომ ამ ფენის დახვევა შესაძლებელია მხოლოდ იმ მიმართულებით, რომლებშიც ექვსკუთხა გისოსის თავისთან გასწორება მიიღწევა ცილინდრული ზედაპირის დახურვისას. ამიტომ, CNT-ებს აქვთ მხოლოდ გარკვეული დიამეტრის ნაკრები და კლასიფიცირებულია onვექტორები, რომლებიც მიუთითებენ ექვსკუთხა გისოსის დაკეცვის მიმართულებაზე. CNT-ების თვისებების გარეგნობაც და ვარიაციებიც ამაზეა დამოკიდებული. სამი ტიპიური ვარიანტი ნაჩვენებია სურათზე 3.2.

CNT შესაძლო დიამეტრის ნაკრები გადახურულია დიაპაზონი 1 ნმ-ზე ოდნავ ნაკლებიდან რამდენიმე ათეულ ნანომეტრამდე. მაგრამ სიგრძე CNT-ებს შეუძლიათ მიაღწიონ ათეულ მიკრომეტრს. ჩანაწერი on CNT-ის სიგრძემ უკვე გადააჭარბა 1 მმ ზღვარს.

საკმარისად გრძელი CNT-ები (როდესაც სიგრძედიამეტრზე ბევრად დიდი) შეიძლება ჩაითვალოს ერთგანზომილებიან კრისტალად. მათზე შესაძლებელია გამოვყოთ „ელემენტარული უჯრედი“, რომელიც ბევრჯერ მეორდება მილის ღერძის გასწვრივ. და ეს აისახება ნახშირბადის გრძელი ნანომილების ზოგიერთ თვისებებში.

გრაფიტის ფენის დასაკეცი ვექტორიდან გამომდინარე (ექსპერტები ამბობენ: „დან ქირალობა") ნანომილები შეიძლება იყოს გამტარებიც და ნახევარგამტარებიც. ეგრეთ წოდებული "უნაგი" სტრუქტურის CNT-ებს ყოველთვის აქვთ საკმაოდ მაღალი, "მეტალის" ელექტრული გამტარობა.

ბრინჯი. 3.2

"სახურავები", რომლებიც ხურავს CNT-ებს ბოლოებში, ასევე შეიძლება განსხვავებული იყოს. მათ აქვთ სხვადასხვა ფულერენების "ნახევრების" ფორმა. მათი ძირითადი ვარიანტები ნაჩვენებია ნახ. 3.3.

ბრინჯი. 3.3 ერთკედლიანი CNT-ის "ქუდების" ძირითადი ვარიანტები

ასევე არსებობს მრავალშრიანი CNT-ები. ზოგიერთი მათგანი ჰგავს გრაფიტის ფენას გრაგნილში. მაგრამ უმეტესობა შედგება ერთი ფენის მილებისაგან, რომლებიც ჩასმულია ერთმანეთში, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული ვან დერ ვაალის ძალებით. თუ ერთკედლიანი CNT-ებიშემდეგ თითქმის ყოველთვის იხურება ხუფებით მრავალშრიანი CNT-ებიასევე ნაწილობრივ ღიაა. ისინი ჩვეულებრივ აჩვენებენ ბევრად უფრო მცირე სტრუქტურულ დეფექტებს, ვიდრე ერთკედლიანი CNT-ები. ამიტომ, ელექტრონიკაში აპლიკაციებისთვის უპირატესობა ამ უკანასკნელს ენიჭება.

CNT-ები იზრდება არა მხოლოდ სწორხაზოვანი, არამედ მრუდი, მოხრილი, რათა შექმნან "მუხლზე" და თუნდაც მთლიანად დაკეცილი ერთგვარი ტორუსის სახით. ხშირად, რამდენიმე CNT მყარად არის დაკავშირებული ერთმანეთთან და ქმნის პაკეტებს.

ნანომილაკებისთვის გამოყენებული მასალები

ნახშირბადის ნანომილების (CNTs) სინთეზის მეთოდების შემუშავება სინთეზის ტემპერატურის შემცირების გზას გაჰყვა. ფულერენების წარმოების ტექნოლოგიის შექმნის შემდეგ აღმოჩნდა, რომ გრაფიტის ელექტროდების ელექტრული რკალის აორთქლების დროს ფულერენების წარმოქმნასთან ერთად წარმოიქმნება გაფართოებული ცილინდრული სტრუქტურები. მიკროსკოპისტი სუმიო იჯიმა, გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპის (TEM) გამოყენებით, იყო პირველი, ვინც ეს სტრუქტურები ნანომილაკებად ამოიცნო. CNT-ების წარმოების მაღალი ტემპერატურის მეთოდებს მიეკუთვნება ელექტრული რკალის მეთოდი. თუ გრაფიტის ღერო (ანოდი) აორთქლდება ელექტრულ რკალში, მაშინ მოპირდაპირე ელექტროდზე (კათოდზე) წარმოიქმნება მყარი ნახშირბადის დაგროვება (დეპოზიტი), რომლის რბილ ბირთვში შეიცავს მრავალკედლიან CNT-ებს დიამეტრით 15–. 20 ნმ და სიგრძე 1 მკმ-ზე მეტი.

ფულერენის ჭვარტლიდან CNT-ების წარმოქმნა ჭვარტლზე მაღალი ტემპერატურის თერმული მოქმედებით პირველად დაფიქსირდა ოქსფორდისა და შვეიცარიის ჯგუფების მიერ. ელექტრული რკალის სინთეზის ინსტალაცია არის ლითონის ინტენსიური, ენერგომოხმარება, მაგრამ უნივერსალური ნახშირბადის ნანომასალების სხვადასხვა სახეობის მისაღებად. მნიშვნელოვანი პრობლემაა რკალის წვის დროს პროცესის არაბალანსობა. ელექტრული რკალის მეთოდმა ერთ დროს შეცვალა ლაზერული აორთქლების (აბლაციის) მეთოდი ლაზერის სხივით. აბლაციის მოწყობილობა არის ჩვეულებრივი რეზისტენტული გამაცხელებელი ღუმელი, რომელიც იძლევა 1200°C ტემპერატურას. მასში უფრო მაღალი ტემპერატურის მისაღებად საკმარისია ნახშირბადის სამიზნე მოათავსოთ ღუმელში და მივმართოთ მასზე ლაზერის სხივი, მონაცვლეობით დაასკანიროთ სამიზნის მთელი ზედაპირი. ასე რომ, სმალის ჯგუფმა, ძვირადღირებული ინსტალაციების გამოყენებით მოკლე იმპულსური ლაზერით, 1995 წელს მიიღო ნანომილები, რამაც "მნიშვნელოვნად გაამარტივა" მათი სინთეზის ტექნოლოგია.

თუმცა, CNT-ების გამოსავლიანობა დაბალი დარჩა. ნიკელისა და კობალტის მცირე დანამატების (0,5 ატ.%) გრაფიტში შეყვანამ შესაძლებელი გახადა CNT-ების გამოსავლიანობის 70-90%-მდე გაზრდა. ამ მომენტიდან დაიწყო ახალი ეტაპი ნანომილების ფორმირების მექანიზმის კონცეფციაში. აშკარა გახდა, რომ ლითონი ზრდის კატალიზატორია. ამრიგად, პირველი სამუშაოები გამოჩნდა ნანომილების წარმოებაზე დაბალი ტემპერატურის მეთოდით - ნახშირწყალბადების კატალიზური პიროლიზის მეთოდით (CVD), სადაც კატალიზატორად გამოიყენებოდა რკინის ჯგუფის ლითონის ნაწილაკები. CVD მეთოდით ნანომილებისა და ნანობოჭკოების წარმოებისთვის ინსტალაციის ერთ-ერთი ვარიანტია რეაქტორი, რომელშიც მიეწოდება ინერტული გადამზიდავი აირი, რომელიც ატარებს კატალიზატორს და ნახშირწყალბადებს მაღალი ტემპერატურის ზონაში.

გამარტივებული, CNT ზრდის მექანიზმი შემდეგია. ნახშირწყალბადის თერმული დაშლის დროს წარმოქმნილი ნახშირბადი იხსნება ლითონის ნანონაწილაკში. როდესაც ნაწილაკში ნახშირბადის მაღალი კონცენტრაცია მიიღწევა, კატალიზატორის ნაწილაკების ერთ-ერთ სახეზე, ჭარბი ნახშირბადის ენერგიულად ხელსაყრელი „განთავისუფლება“ ხდება დამახინჯებული ნახევრად ფულერენის ქუდის სახით. ასე იბადება ნანომილაკი. დაშლილი ნახშირბადი აგრძელებს კატალიზატორის ნაწილაკში შეღწევას და დნობაში მისი კონცენტრაციის ჭარბი განთავისუფლებისთვის აუცილებელია მისგან მუდმივად მოშორება. დნობის ზედაპირიდან ამომავალი ნახევარსფერო (ნახევრად ფულერენი) თან ატარებს გახსნილ ჭარბ ნახშირბადს, რომლის ატომები დნობის გარეთ ქმნიან C-C კავშირს, რომელიც ცილინდრული ჩარჩო-ნანომილაკია.

ნანო ზომის ნაწილაკების დნობის ტემპერატურა დამოკიდებულია მის რადიუსზე. რაც უფრო მცირეა რადიუსი, მით უფრო დაბალია დნობის წერტილი გიბს-ტომპსონის ეფექტის გამო. ამიტომ, რკინის ნანონაწილაკები, რომელთა ზომაა დაახლოებით 10 ნმ, დნობის მდგომარეობაშია 600°C-ზე დაბლა. დღეისათვის CNT-ების დაბალტემპერატურულ სინთეზს ახორციელებდა აცეტილენის კატალიზური პიროლიზი Fe ნაწილაკების თანდასწრებით 550°C ტემპერატურაზე. სინთეზის ტემპერატურის შემცირებას ასევე აქვს უარყოფითი შედეგები. დაბალ ტემპერატურაზე მიიღება CNT-ები დიდი დიამეტრით (დაახლოებით 100 ნმ) და ძლიერ დეფექტური სტრუქტურით, როგორიცაა "ბამბუკი" ან "ბუდეული ნანოკონები". შედეგად მიღებული მასალები შედგება მხოლოდ ნახშირბადისგან, მაგრამ ისინი არც კი უახლოვდებიან უჩვეულო მახასიათებლებს (მაგალითად, იანგის მოდულს), რომელიც შეინიშნება ლაზერული აბლაციით ან ელექტრული რკალის სინთეზით მიღებულ ნახშირბადის ერთკედლიან ნანომილაკებში.

ითვლება, რომ ნახშირბადის ნანომილაკების აღმომჩენი იაპონური კორპორაციის NEC Sumio Iijima-ს თანამშრომელია, რომელიც 1991 წელს დააკვირდა მრავალშრიანი ნანომილების სტრუქტურას ელექტრონული მიკროსკოპის ქვეშ დეპოზიტების შესწავლისას, რომლებიც წარმოიქმნა სუფთა ნახშირბადის მოლეკულური ფორმების სინთეზის დროს. ფიჭური სტრუქტურა.

კლასიფიკაცია

ნანომილების ძირითადი კლასიფიკაცია ეფუძნება მათი შემადგენელი ფენების რაოდენობას.

ერთკედლიანი ნანომილები(ერთკედლიანი ნანომილები, SNWT) - ნანომილების უმარტივესი ტიპი. მათ უმეტესობას აქვს დიამეტრი დაახლოებით 1 ნმ სიგრძით, რომელიც შეიძლება იყოს ათასობით ჯერ მეტი. ერთკედლიანი ნანომილაკების სტრუქტურა შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც გრაფიტის (გრაფინის) ექვსკუთხა ქსელის „შეფუთვა“, რომელიც დაფუძნებულია ექვსკუთხედებზე ნახშირბადის ატომებით, რომლებიც მდებარეობს კუთხის წვეროებზე, უწყვეტ ცილინდრში. მილების ზედა ბოლოები დახურულია ნახევარსფერული ქუდებით, რომელთა თითოეული ფენა შედგება ექვსკუთხედებისა და ხუთკუთხედებისგან, რომლებიც ჰგავს ნახევარი ფულერენის მოლეკულის სტრუქტურას.

სურათი 1. ერთი ფენის ნანომილის გრაფიკული გამოსახულება

მრავალშრიანი ნანომილები(მრავალკედლიანი ნანომილები, MWNT) შედგება გრაფენის რამდენიმე ფენისგან, რომლებიც დაწყობილია მილის სახით. ფენებს შორის მანძილი არის 0,34 ნმ, ანუ იგივეა, რაც კრისტალურ გრაფიტის ფენებს შორის.

არსებობს ორი მოდელი, რომელიც გამოიყენება მათი სტრუქტურის აღსაწერად. მრავალშრიანი ნანომილები შეიძლება იყოს რამდენიმე ერთშრიანი ნანომილაკი, რომლებიც ბუდობენ ერთი მეორეში (ე.წ. "მატრიოშკა"). სხვა შემთხვევაში, გრაფენის ერთი „ფურცელი“ რამდენჯერმე ეხვევა გარშემო, რაც პერგამენტის ან გაზეთის გადახვევის მსგავსია („პერგამენტის“ მოდელი).

სურათი 2. მრავალშრიანი ნანომილის გრაფიკული გამოსახულება (მატრიოშკას მოდელი)

სინთეზის მეთოდები

ნანომილების სინთეზის ყველაზე გავრცელებული მეთოდებია ელექტრული რკალის მეთოდი, ლაზერული აბლაცია და ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD).

რკალის გამონადენი -ამ მეთოდის არსი მდგომარეობს ნახშირბადის ნანომილების წარმოებაში რკალის გამონადენი პლაზმაში, რომელიც იწვის ჰელიუმის ატმოსფეროში ფულერენების წარმოების ტექნოლოგიურ დანადგარებში. ამასთან, აქ გამოიყენება რკალის სხვა რეჟიმები: რკალის გამონადენის დაბალი დენის სიმკვრივე, ჰელიუმის მაღალი წნევა (~ 500 Torr), უფრო დიდი დიამეტრის კათოდები.

ნანომილების გამოსავლიანობის გაზრდის მიზნით, გრაფიტის ღეროში შეჰყავთ კატალიზატორი (რკინის ჯგუფის ლითონების ნარევები), იცვლება ინერტული აირის წნევა და დაფქვის რეჟიმი.

კათოდური საბადოში ნანომილების შემცველობა 60%-ს აღწევს. შედეგად მიღებული ნანომილები 40 მკმ-მდე სიგრძით იზრდება კათოდიდან მისი ზედაპირის პერპენდიკულარულად და გაერთიანებულია ცილინდრულ სხივებად დაახლოებით 50 კმ დიამეტრის.

ლაზერული აბლაცია

ეს მეთოდი გამოიგონეს რიჩარდ სმელიმ და რაისის უნივერსიტეტმა და დაფუძნებულია მაღალი ტემპერატურის რეაქტორში გრაფიტის სამიზნის აორთქლებაზე. ნანომილები ჩნდება რეაქტორის გაცივებულ ზედაპირზე გრაფიტის აორთქლების კონდენსატის სახით. წყლის გაცივებული ზედაპირი შეიძლება შევიდეს ნანომილების შეგროვების სისტემაში.

პროდუქტის მოსავლიანობა ამ მეთოდით არის დაახლოებით 70%. მისი დახმარებით მიიღება უპირატესად ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები დიამეტრით, რომელსაც აკონტროლებს რეაქციის ტემპერატურა. თუმცა, ამ მეთოდის ღირებულება ბევრად უფრო ძვირია, ვიდრე სხვები.

ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD)

ნახშირბადის ორთქლის კატალიზური დეპონირების მეთოდი აღმოაჩინეს ჯერ კიდევ 1959 წელს, მაგრამ 1993 წლამდე არავინ ფიქრობდა, რომ ამ პროცესში ნანომილაკების მიღება შეიძლებოდა.

ამ მეთოდის პროცესში ამზადებენ სუბსტრატს კატალიზატორის ფენით - ლითონის ნაწილაკებით (ყველაზე ხშირად ნიკელის, კობალტის, რკინის ან მათი კომბინაციები). ამ გზით გაზრდილი ნანომილების დიამეტრი დამოკიდებულია ლითონის ნაწილაკების ზომაზე.

სუბსტრატი თბება დაახლოებით 700°C-მდე. ნანომილების ზრდის დასაწყებად, რეაქტორში შეჰყავთ ორი ტიპის აირი: დამუშავების გაზი (მაგალითად, ამიაკი, აზოტი, წყალბადი და ა.შ.) და ნახშირბადის შემცველი გაზი (აცტილენი, ეთილენი, ეთანოლი, მეთანი და ა.შ.). ნანომილები იწყებენ ზრდას ლითონის კატალიზატორების ადგილებში.

ეს მექანიზმი არის ყველაზე გავრცელებული კომერციული მეთოდი ნახშირბადის ნანომილების წარმოებისთვის. ნანომილების მიღების სხვა მეთოდებს შორის, CVD არის ყველაზე პერსპექტიული სამრეწველო მასშტაბით, ერთეულის ფასის თვალსაზრისით საუკეთესო თანაფარდობის გამო. გარდა ამისა, შესაძლებელს ხდის სასურველ სუბსტრატზე ვერტიკალურად ორიენტირებული ნანომილების მიღებას დამატებითი შეგროვების გარეშე, ასევე კატალიზატორის საშუალებით მათი ზრდის კონტროლი.

გამოყენების სფეროები

ნახშირბადის ნანომილები, ფულერენებთან და მეზოფორიან ნახშირბადის სტრუქტურებთან ერთად, ქმნიან ნახშირბადის ნანომასალების ახალ კლასს, ან ნახშირბადის ჩარჩო სტრუქტურებს, თვისებებით, რომლებიც მნიშვნელოვნად განსხვავდება ნახშირბადის სხვა ფორმებისგან, როგორიცაა გრაფიტი და ბრილიანტი. თუმცა, ნანომილები მათ შორის ყველაზე პერსპექტიულია.

გაინტერესებთ ნანომასალების ბიზნესი? მაშინ შეიძლება დაგაინტერესოთ

ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები აღმოაჩინეს 1993 წელს. ჟურნალის ერთ ნომერში ერთდროულად დაიბეჭდა ორი სტატია Ბუნება, რომელშიც იაპონელმა მკვლევარებმა იჩიჰაშიმ და სუმიო იჯიმამ, ასევე IBM-ის მეცნიერებმა გამოაქვეყნეს შედეგები ლითონის კატალიზატორების გამოყენებით ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილების სინთეზის შესაძლებლობის შესახებ. ნახშირბადის ნანომილები არიან ჩემპიონები, ჩემპიონები სხვა მასალებთან ერთად.

განვიხილოთ ფიზიკური თვისებები. გამტარობა. ნახშირბადის ნანომილების ელექტროგამტარობა გაცილებით მაღალია, ვიდრე სპილენძისა და ვერცხლის. გარდა ამისა, ბალისტიკური გამტარობა შეინიშნება რამდენიმე მიკრომეტრის მანძილზე. მეორეს მხრივ, ნახშირბადის ნანომილები არის შესანიშნავი ნახევარგამტარული მასალა, რომელიც შეიძლება შევადაროთ სილიკონს მისი მახასიათებლების მიხედვით. ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილების გამოყენებით შესაძლებელია ტრანზისტორების მიღება, რომლებშიც მუხტის მატარებლების მობილურობა მნიშვნელოვნად აღემატება ტრადიციულ სილიკონის ტრანზისტორების მობილობას. გარდა ამისა, ერთკედლიანი ნანომილები შესაძლებელს ხდის ტრანზისტორების მიღებას მოქნილ და გამჭვირვალე სუბსტრატებზე. ერთკედლიან ნახშირბადის ნანომილებს აქვთ შესანიშნავი თერმული თვისებები, უკეთესი ვიდრე ალმასის: თბოგამტარობა მილებში დაახლოებით 2-ჯერ მეტია. გარდა ამისა, ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები არის ცივი ელექტრონების ეფექტური ველის გამომცემი.

ნახშირბადის ნანომილების თერმული სტაბილურობა საკმაოდ მაღალია: თქვენ შეგიძლიათ, მათი განადგურების შიშის გარეშე, გაცხელოთ 1500 გრადუს ცელსიუსამდე, ხოლო მათი მთავარი კონკურენტი - ორგანული გამტარები - დაიწყოთ დაშლა უკვე დაახლოებით 150 გრადუს ცელსიუს ტემპერატურაზე. ნახშირბადის ნანომილები ძალიან მსუბუქი მასალაა. მეორეს მხრივ, მათ აქვთ მაღალი სპეციფიკური სიმტკიცე - 25-ჯერ მეტი, ვიდრე მაღალი სიმტკიცის ფოლადი. ეს არის თითქმის ერთადერთი მასალა, საიდანაც შესაძლებელი იქნებოდა კოსმოსური ლიფტის შექმნა, რომელიც დააკავშირებს გეოსტაციონარული ორბიტაზე მბრუნავი თანამგზავრის დედამიწას, კაბელის სახით, რომელზედაც შესაძლებელი იქნება ტვირთის აწევა კოსმოსში. პოლიმერებში ნახშირბადის ნანომილების დამატება შესაძლებელს ხდის კომპოზიტების მიღებას, რომლებშიც იცვლება მექანიკური თვისებები და მიიღება ძალიან ძლიერი კომპოზიციური მასალები, რომლებშიც იცვლება ელექტრული გამტარობაც. თუ მასალა დაფარულია ნახშირბადის ნანომილების ფენით, მაშინ შეიძლება მივიღოთ ფენა, რომელიც დაიცავს და დაიცავს მასალას ელექტრომაგნიტური ტალღებისგან.

რა შეიძლება ითქვას ენერგეტიკულ გამოყენებაზე: ნახშირბადის ნანომილები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ანოდად ლითიუმის ბატარეებში, როგორც სუპერკონდენსატორები და, გარდა ამისა, ისინი ეფექტური ელემენტებია მზის უჯრედებში - საღებავებზე, ასევე ჰეტეროკავშირებზე, სადაც სილიციუმის π- ფენა შეიცვალა ერთკედლიანი ნანომილები. გარდა ამისა, ნახშირბადის ნანომილებიდან შესაძლებელია საკმაოდ ფართო სპექტრული დიაპაზონის სხვადასხვა გაზის და ოპტიკური სენსორების დამზადება. ნახშირბადის ნანომილები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც გამჭვირვალე ელექტროდები და ტრანზისტორები. ამაზე ცოტა უფრო დეტალურად მინდა ვისაუბრო, მაგრამ მოგვიანებით.

მინდა ვისაუბრო ნახშირბადის ნანომილების გამტარობაზე. როგორც ვთქვი, ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები არის როგორც ლითონის კარგი გამტარი, ასევე შესანიშნავი ნახევარგამტარი. გამტარობის ტიპი განისაზღვრება სიმეტრიის ჯგუფით. თუ ჩვენ ვიცით ქირალურობის ინდექსები, მაშინ შეგვიძლია ვიწინასწარმეტყველოთ ნახშირბადის ნანომილის მეტალის თვისებები. თუ ამ ინდექსებს შორის განსხვავება არის 0 ან 3-ის ჯერადი, მივიღებთ ნახშირბადის ნანომილებს, რომლებსაც აქვთ მეტალის თვისებები, ხოლო ყველა სხვა ნანომილაკი იქნება ნახევარგამტარი. ცხადია, ნახშირბადის ნანომილების 1/3 მეტალისაა, 2/3 კი ნახევარგამტარია. სამწუხაროდ, არცერთი ამჟამად ხელმისაწვდომი მეთოდი არ იძლევა ნახშირბადის ნანომილების სინთეზს გარკვეული ქირალობით. რა უნდა ითქვას ქირალურობაზე - შეუძლებელია ნახშირბადის ნანომილების მიღება გარკვეული მეტალის შემთხვევაშიც კი.

ნახშირბადის ატომიზაციის მეთოდების მიხედვით, ნახშირბადის ნანომილების სინთეზის ყველა მეთოდი შეიძლება დაიყოს ფიზიკურად და ქიმიურად. ფიზიკური მეთოდი ემყარება ნახშირბადის აორთქლებასა და სუბლიმაციას. ჩვენ ვიცით, რომ გრაფიტს აქვს ძალიან დაბალი ორთქლის წნევა, ამიტომ გრაფიტის აორთქლების მიზნით, ის უნდა გაცხელდეს 3000 კელვინზე ზემოთ ტემპერატურამდე. ამისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას მზის ენერგია, ინდუქციური გათბობა, ლაზერული აბლაცია ან ელექტრული რკალის გამონადენი. ეს მეთოდი ძალიან პოპულარული იყო ნახშირბადის ნანომილების კვლევის ადრეულ დღეებში, მაგრამ, სამწუხაროდ, მაღალი ტემპერატურა არ იძლევა საშუალებას გააკონტროლოს მიღებული მასალის თვისებები. ამიტომ ბოლო წლებში შეიმჩნევა ტენდენცია ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილაკების - უფრო სწორედ მათი წარმოების მეთოდების - ქიმიური მეთოდებით შესწავლისაკენ. ეს მეთოდი ეფუძნება ნახშირბადის ნაერთების დაშლას - ეს შეიძლება იყოს ნახშირწყალბადები, სპირტები, კეტონები, ნებისმიერი ორგანული, ნახშირბადის მონოქსიდი.

თავის მხრივ, მე დავყოფდი ქიმიურ მეთოდებს ნახშირბადის ნანომილების სინთეზში სუბსტრატებზე და გაზის ფაზაში. ნახშირბადის ნანომილების სინთეზი სუბსტრატებზე ყველაზე გავრცელებული მეთოდია. ის საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ ნახშირბადის ნანომილები: შეგიძლიათ აიღოთ ინერტული სუბსტრატი, ჩამოაყალიბოთ მასზე კატალიზატორის ნანონაწილაკები, მოათავსოთ ასეთი სუბსტრატი რეაქტორში გარკვეული დროით (ჩვეულებრივ 5, 10, 20 ან 30 წუთი) და შემდეგ ისიამოვნოთ მიღებული სურათებით. თქვენს სუბსტრატზე ელექტრონულ მიკროსკოპში. მეორეს მხრივ, აეროზოლური მეთოდი არ ემყარება სუბსტრატის გამოყენებას და ნახშირბადის ნანომილის ფორმირების ყველა პროცესი ხდება გაზის ფაზაში. აქ არის სერიოზული დროის ლიმიტი, რადგან რეაქტორში ორთქლის შეყვანასა და გამომავალს შორის გადის დაახლოებით 10-12 წამი. ამ დროის განმავლობაში ყველაფერი უნდა მოხდეს: კატალიზატორის წინამორბედის დაშლა (როგორც წესი, ასეთ მეთოდებში გამოიყენება რკინა პენტაკარბონილი ან ფეროცენი), შემდეგ ნანომეტრის ზომის კატალიზური ნაწილაკების წარმოქმნა, 1-დან 5 ნანომეტრამდე, ნახშირბადის დაშლა ან დაშლა. კომპონენტები კატალიზატორის ზედაპირზე და ნახშირბადის ნანომილების ზრდა. ყველაფერს 12 წამი სჭირდება.

ნახშირბადის ნანომილების შესწავლის აეროზოლური მეთოდი პირველად შემოთავაზებული იქნა 1999 წელს ჰიუსტონის უნივერსიტეტში. ასევე დაახლოებით 13 წელია, რაც ნახშირბადის ნანომილების სინთეზში აეროზოლური მეთოდით ვარ ჩართული. მე მჯერა, რომ ეს მეთოდი ყველაზე პერსპექტიულია, რადგან ის საშუალებას იძლევა მივიღოთ მაღალი ხარისხის ნახშირბადის ნანომილები გამოუყენებელი კატალიზური ნაწილაკების გარეშე, ამორფული ნახშირბადის გარეშე, ანუ პროდუქტი, რომელიც მზად არის ფართო გამოყენებისთვის, როდესაც ის დატოვებს რეაქტორს. რეაქტორის შემდეგ ნახშირბადის ნანომილები დეპონირდება ფილტრზე. შემდეგ მათი გადატანა შესაძლებელია ნებისმიერ სხვა სუბსტრატზე. ამ პროცესს ფაქტიურად რამდენიმე წამი სჭირდება, მაგრამ საშუალებას გაძლევთ ძალიან სწრაფად მიიღოთ მაღალი ხარისხის გამჭვირვალე ელექტროდები.

ჩვენს მუშაობაში, ჩვენ გამოვიყენეთ ნახშირბადის ნანომილები ბევრ სფეროში, ფილტრებიდან ელექტრონიკამდე. რამდენიმე მაგალითს მოვიყვან. აეროზოლური ფილტრები. ნახშირბადის ნანომილების ფირის მეშვეობით გაზის ნაკადი, რომელიც შეიცავს აეროზოლის ნაწილაკებს, რომელთაგან თავის დაღწევა გვინდა, საკმაოდ მარტივად გადის წინააღმდეგობის შექმნის გარეშე. გარდა ამისა, ნანოფორები შესაძლებელს ხდის თითქმის ყველა ობიექტის გაფილტვრას. ჩვენ გავზომეთ ასეთი ფილტრის მახასიათებლები და აღმოვაჩინეთ, რომ ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილებისაგან დამზადებული ფილტრების ხარისხის ფაქტორი უფრო მაღალია, ვიდრე კომერციულად ხელმისაწვდომი ანალოგები. გარდა ამისა, ჩვენ გამოვიყენეთ ნახშირბადის ნანომილები ელექტროქიმიურ სენსორებად - დოფამინის სტანდარტული ტესტები საშუალებას გვაძლევს განვსაზღვროთ მგრძნობელობის დონე 100 მილინანომოლზე ნაკლები საკმაოდ ფართო დიაპაზონში - დაახლოებით 4 რიგის სიდიდის კონცენტრაციაში. ნახშირბადის ნანომილის ფილმი არის შესანიშნავი ლაზერული შთამნთქმელი, რომელიც საშუალებას აძლევს ადამიანს მიიღოს 200 ფემტოწამიანი პულსი. გარდა ამისა, ნახშირბადის ნანომილები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ნაკადის მრიცხველი, ჰაერის გამაცხელებელი, ინკანდესენტური ნათურა და სხვა მოწყობილობები. ჩვენ ასევე შევქმენით თერმოაკუსტიკური დინამიკი თავისუფლად შეჩერებული ნახშირბადის ნანომილების გამოყენებით. გარდა ამისა, გამჭვირვალე ელექტროდებს აქვთ შესანიშნავი თვისებები, რაც მე მჯერა, რომ მალე გამოვა ბაზარზე, რადგან ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილაკებზე დაფუძნებულ გამჭვირვალე ელექტროდებს აქვთ შესანიშნავი მახასიათებლები, რომლებიც შედარებულია თუნუქით დოპირებული ინდიუმის ოქსიდთან.

ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები შეიძლება და სავარაუდოდ გამოყენებული იქნება ელექტრონიკაში გამჭვირვალე ელექტროდებად. ინგლისურად მას ეძახიან ITO ჩანაცვლება- კალის დოპირებული ინდიუმის ოქსიდის ჩანაცვლება, ეს არის მასალა, რომელიც გამოიყენება მობილური ტელეფონებისა და გაჯეტების 75%-ში. ცნობილია, რომ ინდიუმი იშვიათი მიწიერი მასალაა, გარდა ამისა, კალის დოპირებული ინდიუმის ოქსიდი საკმაოდ მყიფე მასალაა, რომელიც არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას მოქნილი და გამჭვირვალე ელექტრონიკისთვის, ხოლო ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები, უფრო სწორედ მათგან დამზადებულ ფილმებს შეუძლიათ. მოხრილი უნდა იყოს რამდენიმე ათეულ ათასჯერ, ზედაპირის წინააღმდეგობის ფაქტობრივად ცვლილებით. გარდა ამისა, ჩვენი მასალისგან შეიძლება დამზადდეს თხელი შრის ველის ეფექტიანი ტრანზისტორები, რომლებსაც აქვთ შესანიშნავი მახასიათებლები ტრადიციული სილიკონის ტექნოლოგიების დონეზე და ზოგჯერ აღემატება მათ, 106 და 108 დენის თანაფარდობით. მუხტის მატარებლის მობილურობა 1000 ან მეტი კვადრატული სანტიმეტრი ვოლტზე წამში.

აეროზოლური მეთოდი ნახშირბადის ნანომილაკების სინთეზისთვის და ფილტრზე დეპონირებული ფილმების მომზადებისთვის უნიკალური შესაძლებლობაა მოქნილი და გამჭვირვალე ელექტრონიკისთვის კომპონენტების მომზადებისთვის. დეპონირება ხდება ოთახის ტემპერატურაზე, ეს ტექნოლოგია არ საჭიროებს ვაკუუმს, ის საკმაოდ სწრაფი და იაფია. ჩვენი მიზანია შევქმნათ ნახშირბადის ნანომილების ფართომასშტაბიანი წარმოება რულონის ტექნოლოგიის გამოყენების შესაძლებლობით მოქნილ და გამჭვირვალე ელექტრონიკაში გამოსაყენებლად.

ნახშირბადის ნანომილები არის მასალა, რომელზეც ბევრი მეცნიერი ოცნებობს. მაღალი სიმტკიცის კოეფიციენტი, შესანიშნავი თერმული და ელექტრული გამტარობა, ხანძარსაწინააღმდეგო და წონის კოეფიციენტი არის სიდიდის რიგითობა, ვიდრე ყველაზე ცნობილი მასალები. ნახშირბადის ნანომილები არის გრაფენის ფურცელი, რომელიც შემოვიდა მილში. რუსმა მეცნიერებმა კონსტანტინე ნოვოსელოვმა და ანდრეი გეიმმა 2010 წელს მიიღეს ნობელის პრემია მისი აღმოჩენისთვის.

პირველად საბჭოთა მეცნიერებმა რკინის კატალიზატორის ზედაპირზე ნახშირბადის მილების დაკვირვება ჯერ კიდევ 1952 წელს შეძლეს. თუმცა, ორმოცდაათი წელი დასჭირდა მეცნიერებს ნანომილების, როგორც პერსპექტიული და სასარგებლო მასალის დასანახად. ამ ნანომილების ერთ-ერთი გასაოცარი თვისება ის არის, რომ მათი თვისებები განისაზღვრება გეომეტრიით. ასე რომ, მათი ელექტრული თვისებები დამოკიდებულია გადახვევის კუთხეზე - ნანომილებს შეუძლიათ აჩვენონ ნახევარგამტარული და მეტალის გამტარობა.

ნანოტექნოლოგიის მრავალი პერსპექტიული სფერო დღეს დაკავშირებულია ნახშირბადის ნანომილაკებთან. მარტივად რომ ვთქვათ, ნახშირბადის ნანომილები არის გიგანტური მოლეკულები ან ჩარჩო სტრუქტურები, რომლებიც შედგება მხოლოდ ნახშირბადის ატომებისგან. ადვილი წარმოსადგენია ასეთი ნანომილაკი, თუ წარმოვიდგენთ, რომ გრაფენს ახვევენ მილში - ეს არის გრაფიტის ერთ-ერთი მოლეკულური ფენა. ნანომილის დაკეცვის მეთოდი დიდწილად განსაზღვრავს მოცემული მასალის საბოლოო თვისებებს.

ბუნებრივია, არავინ ქმნის ნანომილებს გრაფიტის ფურცლიდან სპეციალურად გადაგორებით. ნანომილები წარმოიქმნება თავად, მაგალითად, ნახშირბადის ელექტროდების ზედაპირზე ან მათ შორის რკალის გამონადენის დროს. ნახშირბადის ატომები გამონადენის დროს აორთქლდება ზედაპირიდან და ერწყმის ერთმანეთს. შედეგად, წარმოიქმნება სხვადასხვა ტიპის ნანომილები - მრავალშრიანი, ერთფენიანი და სხვადასხვა გადახვევის კუთხით.

ნანომილების ძირითადი კლასიფიკაცია ეფუძნება მათი შემადგენელი ფენების რაოდენობას:

• ერთკედლიანი ნანომილები ნანომილების უმარტივესი სახეობაა. მათ უმეტესობას აქვს 1 ნმ რიგის დიამეტრი, სიგრძით, რომელიც შეიძლება იყოს ათასჯერ მეტი;
• მრავალშრიანი ნანომილები, რომლებიც შედგება გრაფენის რამდენიმე ფენისგან, ისინი იკეცება მილის ფორმაში. ფენებს შორის იქმნება 0,34 ნმ მანძილი, ანუ გრაფიტის კრისტალში ფენებს შორის მანძილის იდენტურია.

მოწყობილობა

ნანომილები არის ნახშირბადის გაფართოებული ცილინდრული სტრუქტურები, რომელთა სიგრძე შეიძლება მიაღწიოს რამდენიმე სანტიმეტრს და დიამეტრის ერთიდან რამდენიმე ათეულ ნანომეტრამდე. ამავდროულად, დღეს არის ტექნოლოგიები, რომლებიც საშუალებას აძლევს მათ შეუზღუდავი სიგრძის ძაფებად იქსოვონ. ისინი შეიძლება შედგებოდეს ერთი ან მეტი გრაფენის სიბრტყისგან, რომელიც შემოვიდა მილში, რომელიც ჩვეულებრივ მთავრდება ნახევარსფერული თავით.

ნანომილების დიამეტრი რამდენიმე ნანომეტრია, ანუ მეტრის რამდენიმე მილიარდი. ნახშირბადის ნანომილების კედლები დამზადებულია ექვსკუთხედებისგან, რომელთა წვეროებზე ნახშირბადის ატომებია. მილებს შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული ტიპის სტრუქტურა, ეს არის ის, ვინც გავლენას ახდენს მათ მექანიკურ, ელექტრონულ და ქიმიურ თვისებებზე. ერთ ფენიან მილებს აქვთ ნაკლები დეფექტები; ამავდროულად, ინერტულ ატმოსფეროში მაღალ ტემპერატურაზე ადუღების შემდეგ, ასევე შესაძლებელია დეფექტების გარეშე მილების მიღება. მრავალკედლიანი ნანომილები განსხვავდება სტანდარტული ერთკედლიანი ნანომილებისაგან, კონფიგურაციებისა და ფორმების ბევრად ფართო სპექტრით.

ნახშირბადის ნანომილები შეიძლება სინთეზირებული იყოს მრავალი გზით, მაგრამ ყველაზე გავრცელებულია:

• რკალის გამონადენი. მეთოდი უზრუნველყოფს ნანომილების წარმოებას ტექნოლოგიურ დანადგარებზე ფულერენების წარმოებისთვის რკალის გამონადენის პლაზმაში, რომელიც იწვის ჰელიუმის ატმოსფეროში. მაგრამ აქ გამოიყენება რკალის სხვა რეჟიმები: უფრო მაღალი ჰელიუმის წნევა და დაბალი დენის სიმკვრივე, ასევე დიდი დიამეტრის კათოდები. კათოდური საბადო შეიცავს 40 მკმ-მდე სიგრძის ნანომილებს; ისინი იზრდება კათოდიდან პერპენდიკულარულად და გაერთიანებულია ცილინდრულ ჩალიჩებად.
• ლაზერული აბლაციის მეთოდი . მეთოდი ეფუძნება გრაფიტის სამიზნის აორთქლებას სპეციალურ მაღალტემპერატურ რეაქტორში. ნანომილები წარმოიქმნება რეაქტორის გაციებულ ზედაპირზე გრაფიტის აორთქლების კონდენსატის სახით. ეს მეთოდი საშუალებას იძლევა უპირატესად მივიღოთ ერთკედლიანი ნანომილები, რომელთა დიამეტრი კონტროლდება ტემპერატურის საშუალებით. მაგრამ ეს მეთოდი ბევრად უფრო ძვირია, ვიდრე სხვები.
• ქიმიური ორთქლის დეპონირება . ეს მეთოდი მოიცავს კატალიზატორის ფენით სუბსტრატის მომზადებას, რომელიც შეიძლება იყოს რკინის, კობალტის, ნიკელის ან მათი კომბინაციების ნაწილაკები. ამ გზით გაზრდილი ნანომილების დიამეტრი დამოკიდებული იქნება გამოყენებული ნაწილაკების ზომაზე. სუბსტრატი თბება 700 გრადუსამდე. ნანომილების ზრდის დასაწყებად რეაქტორში შეჰყავთ ნახშირბადის შემცველი გაზი და პროცესის გაზი (წყალბადი, აზოტი ან ამიაკი). ნანომილები იზრდება ლითონის კატალიზატორის უბნებზე.

აპლიკაციები და მახასიათებლები

• აპლიკაციები ფოტონიკასა და ოპტიკაში . ნანომილების დიამეტრის შერჩევით, შესაძლებელია ოპტიკური შთანთქმის უზრუნველყოფა დიდი სპექტრული დიაპაზონში. ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები აჩვენებენ გაჯერებული შთანთქმის ძლიერ არაწრფივობას, ანუ ისინი გამჭვირვალე ხდებიან საკმარისად ინტენსიურ შუქზე. აქედან გამომდინარე, მათი გამოყენება შესაძლებელია ფოტონიკის სფეროში სხვადასხვა აპლიკაციებისთვის, მაგალითად, მარშრუტიზატორებისა და კონცენტრატორების შესაქმნელად, ულტრამოკლე ლაზერული იმპულსების შესაქმნელად და ოპტიკური სიგნალების რეგენერაციისთვის.
• განაცხადი ელექტრონიკაში . ამ დროისთვის, ელექტრონიკაში ნანომილების გამოყენების მრავალი გზაა გამოცხადებული, მაგრამ მათი მხოლოდ მცირე ნაწილის განხორციელებაა შესაძლებელი. ყველაზე საინტერესოა ნანომილების გამოყენება გამჭვირვალე გამტარებლებში, როგორც სითბოს მდგრადი ინტერფეისის მასალა.

ელექტრონიკაში ნანომილების დანერგვის მცდელობების აქტუალობა გამოწვეულია ინდიუმის ჩანაცვლების აუცილებლობით სითბოს ნიჟარებში, რომლებიც გამოიყენება მაღალი სიმძლავრის ტრანზისტორებში, გრაფიკულ პროცესორებში და ცენტრალურ პროცესორებში, რადგან ამ მასალის მარაგი მცირდება და მისი ფასი იზრდება. .

• სენსორების შექმნა . ნახშირბადის ნანომილები სენსორებისთვის ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო გამოსავალია. ერთკედლიანი ნანომილებისაგან დამზადებული ულტრათხელი ფირები ამჟამად შეიძლება გახდეს საუკეთესო საფუძველი ელექტრონული სენსორებისთვის. მათი წარმოება შესაძლებელია სხვადასხვა მეთოდის გამოყენებით.
• ბიოჩიპების, ბიოსენსორების შექმნა , ბიოტექნოლოგიურ ინდუსტრიაში წამლების მიზანმიმართული მიწოდებისა და მოქმედების კონტროლი. ამ მიმართულებით მუშაობა ამჟამად ძლიერად და ძირითადში მიმდინარეობს. ნანოტექნოლოგიის გამოყენებით ჩატარებული მაღალი გამტარუნარიანობის ანალიზი საგრძნობლად შეამცირებს ტექნოლოგიის ბაზარზე შემოტანის დროს.
• დღეს სწრაფად იზრდება ნანოკომპოზიტების წარმოება ძირითადად პოლიმერული. როდესაც მათში ნახშირბადის ნანომილების მცირე რაოდენობაც კი შეჰყავთ, უზრუნველყოფილია პოლიმერების თვისებების მნიშვნელოვანი ცვლილება. ასე რომ, ისინი ზრდიან თერმული და ქიმიურ წინააღმდეგობას, თბოგამტარობას, ელექტროგამტარობას, აუმჯობესებენ მექანიკურ მახასიათებლებს. ათობით მასალა გაუმჯობესდა მათში ნახშირბადის ნანომილების დამატებით;

- ნანომილაკებით პოლიმერებზე დაფუძნებული კომპოზიციური ბოჭკოები;
- კერამიკული კომპოზიტები დანამატებით. იზრდება კერამიკის ბზარის წინააღმდეგობა, ჩნდება ელექტრომაგნიტური გამოსხივებისგან დაცვა, იზრდება ელექტრო და თბოგამტარობა;
- ბეტონი ნანომილებით - ხარისხი, სიმტკიცე, ბზარის წინააღმდეგობა იზრდება, შეკუმშვა მცირდება;
- ლითონის კომპოზიტები. განსაკუთრებით სპილენძის კომპოზიტები, რომელთა მექანიკური თვისებები რამდენჯერმე აღემატება ჩვეულებრივ სპილენძს;
- ჰიბრიდული კომპოზიტები, რომლებიც შეიცავს ერთდროულად სამ კომპონენტს: არაორგანულ ან პოლიმერულ ბოჭკოებს (ქსოვილებს), შემკვრელს და ნანომილებს.

Დადებითი და უარყოფითი მხარეები

ნახშირბადის ნანომილების უპირატესობებს შორისაა:

• ბევრი უნიკალური და მართლაც სასარგებლო თვისება, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ენერგოეფექტურობის გადაწყვეტილებების, ფოტონიკის, ელექტრონიკის და სხვა აპლიკაციების სფეროში.
• ეს არის ნანომასალა, რომელსაც აქვს მაღალი სიმტკიცის ფაქტორი, შესანიშნავი თერმული და ელექტრული გამტარობა და ცეცხლგამძლეობა.
• სხვა მასალების თვისებების გაუმჯობესება მათში ნახშირბადის ნანომილების მცირე რაოდენობით შეყვანით.
• ღია ბოლოიანი ნახშირბადის ნანომილები ავლენენ კაპილარულ ეფექტს, რაც იმას ნიშნავს, რომ მათ შეუძლიათ გამდნარი ლითონები და სხვა სითხეები;
• ნანომილები აერთიანებს მყარი და მოლეკულების თვისებებს, რაც ხსნის მნიშვნელოვან პერსპექტივებს.

ნახშირბადის ნანომილების ნაკლოვანებებს შორისაა:

• ნახშირბადის ნანომილები ამჟამად არ იწარმოება სამრეწველო მასშტაბით, ამიტომ მათი კომერციული გამოყენება შეზღუდულია.
• ნახშირბადის ნანომილების წარმოების ღირებულება მაღალია, რაც ასევე ზღუდავს მათ გამოყენებას. თუმცა, მეცნიერები ბევრს მუშაობენ მათი წარმოების ღირებულების შესამცირებლად.
• წარმოების ტექნოლოგიების გაუმჯობესების აუცილებლობა ზუსტად განსაზღვრული თვისებების მქონე ნახშირბადის ნანომილების შესაქმნელად.

პერსპექტივები

უახლოეს მომავალში ყველგან გამოყენებული იქნება ნახშირბადის ნანომილები, რომლებიც გამოიყენებენ შექმნას:

• ნანობალანსები, კომპოზიტური მასალები, მძიმე ძაფები.
• საწვავის უჯრედები, გამჭვირვალე გამტარ ზედაპირები, ნანომავთულები, ტრანზისტორები.
• ნეიროკომპიუტერის უახლესი განვითარება.
• დისპლეები, LED-ები.
• ლითონებისა და გაზების შესანახი მოწყობილობები, აქტიური მოლეკულების კაფსულები, ნანოპიპეტები.
• სამედიცინო ნანორობოტები წამლების მიწოდებისა და ოპერაციებისთვის.
• მინიატურული სენსორები ულტრა მაღალი მგრძნობელობით. ასეთ ნანოსენსორებს შეუძლიათ იპოვონ გამოყენება ბიოტექნოლოგიურ, სამედიცინო და სამხედრო პროგრამებში.
• კაბელი კოსმოსური ლიფტისთვის.
• ბრტყელი გამჭვირვალე დინამიკები.
• ხელოვნური კუნთები. მომავალში გამოჩნდებიან კიბორგები, რობოტები, ინვალიდები სრულ ცხოვრებას დაუბრუნდებიან.
• ძრავები და დენის გენერატორები.
• ჭკვიანი, მსუბუქი და კომფორტული ტანსაცმელი, რომელიც დაიცავს ყოველგვარი უბედურებისგან.
• უსაფრთხო სუპერკონდენსატორები სწრაფი დატენვით.

ეს ყველაფერი მომავალშია, რადგან ნახშირბადის ნანომილების შექმნისა და გამოყენების ინდუსტრიული ტექნოლოგიები განვითარების საწყის ეტაპზეა და მათი ფასი უკიდურესად ძვირია. მაგრამ რუსმა მეცნიერებმა უკვე განაცხადეს, რომ იპოვეს გზა ამ მასალის შექმნის ღირებულების ორასჯერ შეამცირონ. ნახშირბადის ნანომილების წარმოების ეს უნიკალური ტექნოლოგია ამჟამად გასაიდუმლოებულია, მაგრამ მან უნდა მოახდინოს რევოლუცია ინდუსტრიაში და ბევრ სხვა სფეროში.

ნახშირბადის ნანომილები ქმნიან მრეწველობისა და მასალების მეცნიერების ახალ ფილიალს

„ნანო“ კატეგორიის ნივთიერებები, ანუ 100 ნმ-ზე ნაკლები ნაწილაკებით, დღეს წარმოდგენილია ტექნიკური ნახშირბადით (ჭვარტლი) და სილიკა გელით („თეთრი ჭვარტლი“). სხვა ნანომასალების წარმოების მოცულობა შეუდარებლად დაბალია. მაგრამ ახლა სიტუაცია იცვლება, ნახშირბადის ნანომილები შემოვიდა ბაზარზე. ნახშირბადის ნანომილები- ეს არის გაფართოებული ცილინდრული სტრუქტურები, რომლებიც შედგება ერთი ან მეტი ექვსკუთხა (გეომეტრიულად მსგავსი თაფლისებრი) გრაფიტის თვითმფრინავებისაგან, რომლებიც შემოვიდა მილში.

ნახშირბადის მიკრომილები დაპატენტდა მე-19 საუკუნის ბოლოს და ნანომილები პირველად მიიღეს მოსკოვის ფიზიკურ ქიმიის ინსტიტუტში 1950-იან წლებში, შემდეგ იაპონიაში 1970-იან წლებში და ბოლოს "აღმოაჩინეს" იაპონიაში 1991 წელს. მას შემდეგ მილებისადმი ინტერესი სტაბილურად გაიზარდა.

ნანომილებს არ გააჩნიათ ანალოგი საჭირო თვისებების სიმრავლით

• ნანომილაკებში ნახშირბადის ატომების ერთმანეთთან ბმას რეკორდული სიმტკიცე აქვს. იანგის მოდული (წნევის განზომილება, რომელიც ახასიათებს ნივთიერების წინააღმდეგობას დაჭიმვის ან შეკუმშვის მიმართ) 1 ტპა-ზე მეტია (დაახლოებით 1 მილიონი ატმოსფერო - უფრო მაღალი ვიდრე ალმასის). ნანომილების თბოგამტარობა რვაჯერ აღემატება სპილენძს და ელექტრული გამტარობა არ ემორჩილება ოჰმის კანონს. მილებში დენის სიმკვრივე შეიძლება იყოს ათასჯერ მეტი, ვიდრე სპილენძის მავთულის აფეთქება.

ნანომილების მსოფლიო წარმოებამ წელიწადში 1000 ტონას გადააჭარბა. ნახშირბადის ნანომილებისაგან დამზადებული ან ნახშირბადის ნანომილების შემცველი მასალების გამოყენება ეკონომიკის ახალ სექტორად იქცა, რომელსაც გლობალური ფინანსური კრიზისი არ შეეხო.

• ნანომილაკებზე გლობალური მოთხოვნა 2010 წელს შეფასებულია 10000 ტონაზე. მათ 40-ზე მეტი კომპანია აწარმოებს. გერმანული ბაიერი გეგმავს წარმოების სიმძლავრის გაფართოებას 3000 ტ/წ-მდე 2012 წლისთვის, ფრანგები არქემა აქვს ქარხანა წლიური 400 ტონა, ჩინური CNano - 500 ტ/გ და ბელგიური ნანოცილი - 400 ტ/გ. 500 ტ/წ-მდე ზრდის იაპონური ნახშირბადის ნანობოჭკოების წარმოებას შოუა დენკო .

• ნანოსტრუქტურული მასალები იყოფა ორ დიდ ჯგუფად. ერთის მასალები 95–100% ნანომილაკებია. მეორეს მასალები - ნანოკომპოზიტები - პირიქით, შეიცავს რამდენიმე ნანომილს, 5%-მდე.

ნანომილის მასალები

ნანომილების ფორმა საშუალებას აძლევს მათ დაწყობას ორი გზით: შემთხვევით ან შეკვეთით, რაც გავლენას ახდენს მასალების თვისებებზე. ნანომილები შეიძლება შეიცვალოს სხვადასხვა ქიმიური ჯგუფებისა და ნანონაწილაკების მიმაგრებით. ის ასევე ცვლის თავად ნანომილების და მათი მასალების თვისებებს.

• პირველი ჯგუფის მასალები მოიცავს ნანომილების „მონოლითურ“ სტრუქტურებს; საფარები, ფილმები და ნანოქაღალდი მილებიდან; მილის ბოჭკოები; „ტყე“ - ერთმანეთის პარალელურად და სუბსტრატის პერპენდიკულარულად განლაგებული ნანომილები. "მონოლითური" მასალები ფართოდ არ გამოიყენება.

ჩახლართული გრძელი ნანომილებიდან იზოლირებული იქნა „რეზინი“, რომელიც მდგრადია განადგურების მიმართ ციკლური დატვირთვისა და ტემპერატურის პირობებში -140-დან +900 °C-მდე. მისი შესრულება ბევრად აღემატება სილიკონის რეზინას, რომელიც ითვლება საუკეთესო ვისკოელასტიურ მასალად.

• საფარები, ფილმები და ნანოქაღალდი მიიღება მილების სინთეზის დროს ან მათი დისპერსიიდან (კოლოიდური ხსნარები). მეთოდების პირველი ჯგუფი არის მაღალი ტემპერატურა, მეორე არ საჭიროებს გათბობას. მილების უმარტივესი მაკრომასალა, ნანოქაღალდი, აქვს 10-30 ნმ სისქე და წარმოიქმნება დისპერსიების გაფილტვრით.

.

კომპანია Nanocomp ტექნოლოგიები (აშშ) ყიდის ნანოქაღალდის ფურცლებს დაახლოებით 3 მ2 ფართობით და გეგმავს საწარმოო ქარხნის შექმნას 4–6 ტ/წ სიმძლავრის. ნანოქაღალდის რულონების მიღების მეთოდების დანერგვა.

• ფილტრები მზადდება ნანოქაღალდისგან (მათ შორის, ვირუსების მოსაშორებლად ან წყლის გამწმენდისთვის), ელექტრომაგნიტური გამოსხივებისგან დაცვა, გამათბობელი ნაწილები, სენსორები, აქტივატორები, ველის ემიტერები, ელექტროქიმიური მოწყობილობების ელექტროდები, კატალიზატორის მატარებლები და ა.შ.

გამჭვირვალე გამტარ ფირები და საფარები კონკურენციას უწევს ინდიუმის და კალის ოქსიდების მყარ ხსნარს და შეუძლია შეცვალოს ეს ძვირადღირებული და მყიფე მასალა ელექტრონიკაში, სენსორებსა და ფოტოელექტროებში.

• ამერიკული კომპანია ეიკოსი შეიმუშავა და 2005 წლიდან ამარაგებს კომპოზიციას Invisicon მელანი სუბსტრატებზე ნანომილების თხელი ფენების დეპონირებისთვის.

ნახშირბადის ნანომილის ბოჭკოები, როგორც ჩანს, იდეალური „კოსმოსური ლიფტის“ შესაერთებელი მასალა იყო დედამიწის ორბიტაზე ტვირთის ეკონომიურად ასაწევად. თუმცა, ნანომილების თვისებების მაკრომასალებზე გადატანა მარტივი ამოცანისგან შორს აღმოჩნდა.

• ბოჭკოები მიიღება სხვადასხვა გზით. "მშრალი" მეთოდები მოიცავს ნახშირწყალბადების პიროლიზის დროს წარმოქმნილი აეროგელისგან ფორმირებას და "ხისგან" დატრიალებას.

აეროგელისგან ბოჭკოების გამოსახვისა და გადახვევის ტექნოლოგია - "რბილი კვამლი" - შეიქმნა კემბრიჯის უნივერსიტეტი . რეაქციის ზონაში მაღალ ტემპერატურაზე ნახშირწყალბადი იკვებება, საიდანაც წარმოიქმნება აეროგელი (ანუ გელი, რომელშიც თხევადი ფაზა მთლიანად იცვლება აირით). მისგან, როგორც ძველად ბუქსირებიდან, ბოჭკო ტრიალდება. ისრაელში 2010 წელს დაარსდა კომპანია, რომელიც აწარმოებდა ტანის ჯავშანსა და დამცავ საფარებს კემბრიჯის ნანომილების შემცველი ჰიბრიდული კომპოზიტებისაგან.

• „ტყიდან“ ტრიალი აბრეშუმის ჭიის ქოქოსებიდან აბრეშუმის ძაფების ამოღებას ჰგავს.

.

ბოჭკოების წარმოების ხსნარის მეთოდები - დისპერსიების ექსტრუზია თხევად ნაკადში ან კოლოიდური ხსნარებიდან ამოღება სუპერმჟავებში (გოგირდზე ძლიერი მჟავები).

• კომპანია Nanocomp ტექნოლოგიები გამოაცხადა 10 კმ-მდე სიგრძის ძლიერი ბოჭკოების მიწოდება, რომლის დასამზადებლად გამოიყენება გრძელი ნანომილები. გრეხილ ძაფებს აქვს 3 გპა სიძლიერე და გარკვეული თვალსაზრისით უკვე აღემატება კევლარს.

„ტყეს“ თვისებათა ნაკრების მხრივ ანალოგი არ გააჩნია - ეს არის ელასტიური, ელექტრული და თბოგამტარი მასალა, რომელსაც შეუძლია სხვადასხვა ფორმები მიიღოს და შეიცვალოს. 2004 წელს აღწერილი იყო „ტყის“ ზეგანვითარების მაღალი ხარისხის პროცესი: 15–18 მმ-მდე სიგრძის ძალიან სუფთა ნახშირბადის ნანომილების მიღება, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს მათ ღირებულებას.

• იაპონია ემზადება წარმოების დასაწყებად სუპერ ზრდის პროცესის საფუძველზე. მისი სიმძლავრე არის მხოლოდ 600 გ/სთ ერთკედლიანი ნანომილები, თუმცა უახლოეს მომავალში იგეგმება მისი 10 ტ/გ-მდე გაზრდა.

"ტყის" გამოყენება შესაძლებელია სუპერკონდენსატორის ელექტროდების, საველე ემიტერებისა და მზის უჯრედების შესაქმნელად, როგორც პოლიმერებზე დაფუძნებული კომპოზიტების კომპონენტი. სუბსტრატის ზედაპირზე „ტყის“ დაგებით მიიღეს მკვრივი ლენტები. სპეციფიური ელექტრული გამტარობის თვალსაზრისით, მათ შეუძლიათ აჯობონ ლითონებს და იპოვიან გამოყენებას საჰაერო კოსმოსურ ინდუსტრიაში.

• პარალელური ნანომილებისაგან დამზადებული კუნთების ხელოვნური ზოლები მოქმედებს 80-დან 1900 კ-მდე ტემპერატურაზე და ელექტრული პოტენციალის გამოყენებისას უზრუნველყოფს ძალიან მაღალ დრეკადობას. ელექტროენერგიის ასეთი გადამყვანები მექანიკურ ენერგიად ბევრად უფრო ეფექტურია, ვიდრე პიეზოკრისტალები.

მასალები ნანომილების შერევით

მკვეთრად იზრდება მეორე ჯგუფის მასალების - ნანოკომპოზიტების, ძირითადად პოლიმერების წარმოება.

• ნახშირბადის ნანომილების თუნდაც მცირე რაოდენობით შეყვანა მნიშვნელოვნად ცვლის პოლიმერების თვისებებს, ანიჭებს ელექტროგამტარობას, ზრდის თბოგამტარობას, აუმჯობესებს მექანიკურ მახასიათებლებს, ქიმიურ და თერმული სტაბილურობას. შეიქმნა ათობით სხვადასხვა პოლიმერზე დაფუძნებული ნანოკომპოზიტები და შემუშავებულია მათი მომზადების მრავალი მეთოდი.

ნანომილებით პოლიმერების საფუძველზე შექმნილი კომპოზიტური ბოჭკოები შეიძლება ფართოდ იქნას გამოყენებული.

• კომპანიის თითქმის ყველა ბაიერი ნანომილები გამოიყენება პოლიმერული კომპოზიტებისთვის. კომპანია არქემა ამარაგებს თავის ნანომილებს თერმოპლასტიკური კომპოზიტებისთვის და ნანოცილი - თერმოშეკუმშვადი პოლიმერებისთვის და ნახშირბადის ბოჭკოვანი პრეპრეგერებისთვის (პრეპრეგები არის ნახევრად მზა კომპოზიტური მასალები შემდგომი დამუშავებისთვის).

ამერიკული კომპანია Hyperion Catalysis Int. ნანომილების სამრეწველო წარმოების პიონერი, აწარმოებს კონცენტრატებს ეპოქსიდურ ფისებსა და პოლიმერებში შესაერთებლად.

ნანომილების სახეები

• კერამიკული კომპოზიტები იქმნება მრავალი ცეცხლგამძლე ნივთიერების საფუძველზე, თუმცა სამრეწველო განვითარების თვალსაზრისით ისინი შესამჩნევად ჩამორჩებიან პოლიმერებზე დაფუძნებულ ნანოკომპოზიტებს. როგორც პოლიმერების შემთხვევაში, მცირე რაოდენობით ნანომილები ზრდის ელექტრო და თბოგამტარობას, იძლევა ელექტრომაგნიტური გამოსხივებისგან დაცვის უნარს და, რაც მთავარია, ზრდის კერამიკის ბზარის წინააღმდეგობას.

ძალიან მცირე რაოდენობით ნანომილების შეყვანა ბეტონში ზრდის მის ხარისხს, ბზარის წინააღმდეგობას, სიმტკიცეს და ამცირებს შეკუმშვას.

• ლითონის კომპოზიტები იქმნება ჩვეულებრივი ფერადი ლითონებით და შენადნობებით. ყველაზე დიდი ყურადღება ეთმობა სპილენძის კომპოზიტებს, რომელთა მექანიკური თვისებები ორ-სამჯერ აღემატება სპილენძისას. ბევრ ნაერთს აქვს გაზრდილი სიმტკიცე და სიმტკიცე, თერმული გაფართოებისა და ხახუნის დაბალი კოეფიციენტები.

ჰიბრიდული კომპოზიტები ჩვეულებრივ შეიცავს სამ კომპონენტს: პოლიმერულ ან არაორგანულ ბოჭკოებს (ქსოვილებს), ნანომილებს და შემკვრელს. ეს კლასი მოიცავს პრეპრეგირება .

• ამერიკული კომპანია სპეციალიზირებულია ნანომილებით პრეპრეგების წარმოებაში Zyvex შესრულების მასალები . ნანომილები ზრდის პრეპრეგების სიმტკიცეს და სიმტკიცეს 30-50%-ით. პრეპრეგები გამოიყენება უპილოტო საზღვაო სადაზვერვო კატარღების შესაქმნელად "პირანა" .

შეერთებულ შტატებში 2009 წელს გაფრინდა პირველი საჰაერო აკრობატული თვითმფრინავი ძრავის ფენით, რომელიც დამზადებულია ნანომილაკებით კომპოზიტისგან. საჰაერო ჩარჩოს ზოგიერთი ელემენტი F-35 კომპანიები მარტინ ლოკჰიდი ასეთი კომპოზიტებისაგან დამზადებული, სამგზავრო თვითმფრინავის დაახლოებით 100 ნაწილი ბოინგი 787 უნდა გაკეთდეს ნანომილების გამოყენებით.

• კომპანია ნანოცილი აწარმოებს ეპოქსიდურ ფისს მილებით ეპოცილი და პრეპრეგირება პრეგცილი შუშის ბოჭკოების, ნახშირბადის ან არამიდის ბოჭკოების საფუძველზე. დანამატები ზრდის ბზარის წინააღმდეგობას 100%-ით, ფენებს შორის ათვლის ძალას 15%-ით და ამცირებს თერმული გაფართოების კოეფიციენტს. სავარაუდოდ გამოყენებული იქნება კომპოზიტები საავტომობილო და საავიაციო ინდუსტრიაში, ტყვიაგაუმტარი ჟილეტებისთვის. ისინი ამცირებენ ქარის ტურბინების 49 მეტრიანი პირების წონას 7,3-დან 5,8 ტონამდე.

ფინური კომპანია Amroy Europe Oy ნანომილების წარმოების გამოყენებით ბაიერი , გამოყოფს ეპოქსიდური კონცენტრატს ჰიბტონიტი საზღვაო გემებისთვის, ქარის ტურბინებისთვის, სპორტული ინვენტარისთვის და ა.შ.

• წინასწარი პრეპრეგენტებისთვის კანადური ნანოლეჯი იყენებს კომპანიის მილებს ბაიერი , მაგრამ Nanocomp ტექნოლოგიები აწარმოებს ნანოქაღალდის დიდი ფართობის ფურცლებს და რულონებს.

ჰიბრიდულ კომპოზიტებს შეუძლიათ გამოავლინონ დაზიანების სენსორის თვისებები.

• ბიოკომპოზიტები ასევე შეიქმნა სხვადასხვა მატრიცებით. შესწავლილია მასალები ძვლის იმპლანტებისთვის, ფირები კუნთოვანი და ძვლოვანი ქსოვილების ზრდისთვის, თვალის ბადურის და ეპითელური უჯრედები, ნეირონების ქსელები, აგრეთვე ბიოფუნქციური კომპოზიტები და ბიოსენსორები.

მაგალითები არ ამოწურავს ნანომილებით მასალების მრავალფეროვნებას და თვისებებს. მათი გამოყენების სფერო ფართოვდება, ისინი იწყებენ ნანოსტრუქტურული მასალების მეცნიერების განვითარების დონის განსაზღვრას, ცალკეულ ქვეყნებში მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ზოგადი მდგომარეობის განსაზღვრას.

ედუარდ რაკოვი, ქიმიის დოქტორი, რუსეთის ქიმიური ტექნიკური უნივერსიტეტის ნანოტექნოლოგიისა და ნანომასალების კათედრის გამგე. DI. მენდელეევი