meşteşuguri

Nanotuburi de carbon, producția lor, proprietăți și aplicații. Nanotuburi de carbon cu un singur perete Excitoni și biexcitoni în nanotuburi

O altă clasă de clustere au fost formațiunile de carbon cilindrice alungite, care mai târziu, după elucidarea structurii lor, au fost numite „ nanotuburi de carbon„(CNT-uri). CNT-urile sunt molecule mari, uneori chiar extra-mari (peste 10 6 atomi) construite din atomi de carbon.

Tipic schema structurala CNT cu un singur perete și rezultatul calculului computerizat al orbitalilor săi moleculari sunt prezentate în Fig. 3.1. La vârfurile tuturor hexagoanelor și pentagoanelor reprezentate prin linii albe, există atomi de carbon în starea de hibridizare sp 2. Pentru a face structura cadrului CNT clar vizibilă, atomii de carbon nu sunt afișați aici. Dar nu sunt greu de imaginat. Tonul de gri arată vederea orbitalilor moleculari ai suprafeței laterale a CNT-urilor.

Figura 3.1

Teoria arată că structura suprafeței laterale a unui CNT cu un singur perete poate fi imaginată ca un singur strat de grafit laminat într-un tub. Este clar că acest strat poate fi rulat numai în acele direcții în care alinierea rețelei hexagonale cu ea însăși este realizată atunci când suprafața cilindrică este închisă. Prin urmare, CNT-urile au doar un anumit set de diametre și sunt clasificate pe vectori care indică direcția de pliere a rețelei hexagonale. Atât aspectul, cât și variațiile proprietăților CNT-urilor depind de aceasta. Trei opțiuni tipice sunt prezentate în Figura 3.2.

Un set de posibile diametre CNT se suprapune gamă de la puțin mai puțin de 1 nm la multe zeci de nanometri. DAR lungime CNT-urile pot ajunge la zeci de micrometri. Record pe Lungimile CNT au depășit deja limita de 1 mm.

CNT-uri suficient de lungi (când lungime mult mai mare decât diametrul) poate fi considerat ca un cristal unidimensional. Este posibil să se evidențieze o „celulă elementară” pe ele, care se repetă de multe ori de-a lungul axei tubului. Și acest lucru se reflectă în unele proprietăți ale nanotuburilor lungi de carbon.

În funcție de vectorul de pliere a stratului de grafit (expertii spun: „de la chiralitate") nanotuburile pot fi atât conductori, cât și semiconductori. CNT-urile așa-numitei structuri „șa” au întotdeauna o conductivitate electrică „metalic” destul de ridicată.

Orez. 3.2

„Capacele” care închid CNT-urile la capete pot fi și ele diferite. Au forma de „jumătăți” de fulerene diferite. Opțiunile lor principale sunt prezentate în Fig. 3.3.

Orez. 3.3 Principalele variante de „caps” ale unui CNT cu un singur perete

Există, de asemenea CNT-uri multistrat. Unele dintre ele arată ca un strat de grafit rulat într-un sul. Dar majoritatea constă din tuburi cu un singur strat introduse unul în celălalt, interconectate de forțele van der Waals. Dacă CNT-uri cu un singur perete aproape întotdeauna închis cu capace, atunci CNT-uri multistrat sunt, de asemenea, parțial deschise. Ele prezintă de obicei mult mai multe defecte structurale mici decât CNT-urile cu un singur perete. Prin urmare, pentru aplicațiile în electronică, se acordă preferință celor din urmă.

CNT-urile cresc nu numai rectilinii, ci și curbilinii, îndoiți pentru a forma un „genunchi” și chiar complet pliați sub forma unui fel de tor. Destul de des, mai multe CNT-uri sunt conectate ferm între ele și formează pachete.

Materiale folosite pentru nanotuburi

Dezvoltarea metodelor pentru sinteza nanotuburilor de carbon (CNT) a urmat calea scăderii temperaturilor de sinteză. După crearea tehnologiei de producere a fulerenelor, s-a constatat că în timpul evaporării arcului electric a electrozilor de grafit, împreună cu formarea fulerenelor, se formează structuri cilindrice extinse. Microscopistul Sumio Iijima, folosind un microscop electronic cu transmisie (TEM), a fost primul care a identificat aceste structuri ca nanotuburi. Metodele la temperatură ridicată pentru producerea CNT includ metoda arcului electric. Dacă o tijă de grafit (anod) este evaporată într-un arc electric, atunci se formează o acumulare de carbon dur (depozit) pe electrodul opus (catod) în al cărui miez moale conține CNT-uri cu pereți multipli cu un diametru de 15– 20 nm și o lungime mai mare de 1 μm.

Formarea CNT din funingine fullerenă sub acțiunea termică la temperatură înaltă asupra funinginei a fost observată pentru prima dată de grupurile de la Oxford și elveția. Instalația pentru sinteza arcului electric este intensivă în metal, consumatoare de energie, dar universală pentru obținerea diferitelor tipuri de nanomateriale de carbon. O problemă semnificativă este neechilibrul procesului în timpul arderii arcului. Metoda arcului electric a înlocuit la un moment dat metoda de evaporare cu laser (ablație) cu un fascicul laser. Unitatea de ablație este un cuptor de încălzire rezistiv convențional care oferă o temperatură de 1200°C. Pentru a obține temperaturi mai ridicate în acesta, este suficient să plasați o țintă de carbon în cuptor și să direcționați un fascicul laser spre ea, scanând alternativ întreaga suprafață a țintei. Așadar, grupul lui Smalley, folosind instalații scumpe cu un laser cu impuls scurt, a obținut nanotuburi în 1995, „simplificand semnificativ” tehnologia sintezei lor.

Cu toate acestea, randamentul CNT-urilor a rămas scăzut. Introducerea unor mici adaosuri de nichel și cobalt (0,5 at.%) în grafit a făcut posibilă creșterea randamentului CNT-urilor la 70–90%. Din acel moment, a început o nouă etapă în conceptul de mecanism de formare a nanotuburilor. A devenit evident că metalul este un catalizator de creștere. Astfel, au apărut primele lucrări privind producția de nanotuburi printr-o metodă la temperatură joasă - prin metoda pirolizei catalitice a hidrocarburilor (CVD), unde au fost folosite ca catalizator particule dintr-un metal din grupa fierului. Una dintre opțiunile pentru instalația pentru producția de nanotuburi și nanofibre prin metoda CVD este un reactor în care este alimentat un gaz purtător inert, care transportă catalizatorul și hidrocarbura în zona de temperatură înaltă.

Simplificat, mecanismul de creștere a CNT este următorul. Carbonul format în timpul descompunerii termice a hidrocarburii se dizolvă în nanoparticulele de metal. Când se atinge o concentrație mare de carbon în particule, pe una dintre fețele particulei de catalizator, are loc o „eliberare” favorabilă din punct de vedere energetic a excesului de carbon sub forma unui capac de semi-fulerenă distorsionat. Așa se naște un nanotub. Carbonul descompus continuă să intre în particulele de catalizator și, pentru a elibera excesul de concentrație în topitură, acesta trebuie eliminat în mod constant. Emisfera ascendentă (semifulerenă) de la suprafața topiturii poartă cu ea excesul de carbon dizolvat, ai cărui atomi din afara topiturii formează o legătură C-C, care este un cadru-nanotub cilindric.

Temperatura de topire a unei particule într-o stare nanodimensionată depinde de raza acesteia. Cu cât raza este mai mică, cu atât este mai mic punctul de topire datorită efectului Gibbs-Thompson. Prin urmare, nanoparticulele de fier cu o dimensiune de aproximativ 10 nm sunt în stare topită sub 600°C. Până în prezent, sinteza la temperatură scăzută a CNT-urilor a fost efectuată prin piroliza catalitică a acetilenei în prezența particulelor de Fe la 550°C. Reducerea temperaturii de sinteză are și consecințe negative. La temperaturi mai scăzute se obțin CNT-uri cu un diametru mare (aproximativ 100 nm) și o structură puternic defectuoasă precum „bambus” sau „nanoconuri cuibărite”. Materialele rezultate constau doar din carbon, dar nici măcar nu se apropie de caracteristicile extraordinare (de exemplu, modulul Young) observate în nanotuburile de carbon cu un singur perete obținute prin ablație cu laser sau prin sinteza arcului electric.

Se crede că descoperitorul nanotuburilor de carbon este un angajat al corporației japoneze NEC Sumio Iijima, care în 1991 a observat structurile nanotuburilor multistrat atunci când studia depozitele la microscop electronic, care s-au format în timpul sintezei formelor moleculare de carbon pur având o structură celulară.

Clasificare

Clasificarea principală a nanotuburilor se bazează pe numărul de straturi constitutive ale acestora.

Nanotuburi cu un singur perete(nanotuburi cu perete unic, SNWT) - cel mai simplu tip de nanotuburi. Cele mai multe dintre ele au un diametru de aproximativ 1 nm cu o lungime care poate fi de multe mii de ori mai mare. Structura nanotuburilor cu un singur perete poate fi reprezentată ca o „înfășurare” a unei rețele hexagonale de grafit (grafen), care se bazează pe hexagoane cu atomi de carbon situate la vârfurile colțului, într-un cilindru fără sudură. Capetele superioare ale tuburilor sunt închise cu capace semisferice, fiecare strat fiind compus din hexagoane și pentagoane, care seamănă cu structura unei jumătăți de moleculă de fuleren.

Figura 1. Reprezentarea grafică a unui nanotub cu un singur strat

Nanotuburi multistrat(nanotuburi cu pereți multipli, MWNT) constau din mai multe straturi de grafen stivuite sub forma unui tub. Distanța dintre straturi este de 0,34 nm, adică aceeași ca între straturile din grafit cristalin.

Există două modele folosite pentru a descrie structura lor. Nanotuburile multistrat pot fi mai multe nanotuburi cu un singur strat imbricate unul în celălalt (așa-numita „matryoshka”). Într-un alt caz, o „coală” de grafen se înfășoară de mai multe ori, ceea ce este similar cu derularea pergamentului sau a ziarului (modelul „pergament”).

Figura 2. Imagine grafică a unui nanotub multistrat (model matrioșca)

Metode de sinteză

Cele mai comune metode pentru sinteza nanotuburilor sunt metoda arcului electric, ablația cu laser și depunerea chimică în vapori (CVD).

Descărcarea arcului - Esența acestei metode constă în producerea de nanotuburi de carbon într-o plasmă cu descărcare în arc care arde în atmosferă de heliu la instalații tehnologice pentru producerea fulerenelor. Cu toate acestea, aici sunt utilizate alte moduri de arc: densități scăzute de curent ale descărcării arcului, presiune mai mare a heliului (~ 500 Torr), catozi cu diametru mai mare.

Pentru a crește randamentul nanotuburilor în produsele de pulverizare, se introduce un catalizator (amestecuri de metale din grupa fierului) în tija de grafit, se modifică presiunea gazului inert și modul de pulverizare.

Conținutul de nanotuburi din depozitul catodic ajunge la 60%. Nanotuburile rezultate de până la 40 μm lungime cresc de la catod perpendicular pe suprafața acestuia și se combină în fascicule cilindrice de aproximativ 50 km în diametru.

Ablația prin laser

Această metodă a fost inventată de Richard Smalley și Universitatea Rice și se bazează pe evaporarea unei ținte de grafit într-un reactor de temperatură înaltă. Nanotuburile apar pe suprafața răcită a reactorului sub formă de condensat de evaporare a grafitului. Suprafața răcită cu apă poate fi inclusă în sistemul de colectare a nanotuburilor.

Randamentul de produs în această metodă este de aproximativ 70%. Cu ajutorul acestuia se obțin nanotuburi de carbon predominant cu un singur perete, cu un diametru controlat de temperatura de reacție. Cu toate acestea, costul acestei metode este mult mai scump decât celelalte.

Depunere chimică de vapori (CVD)

Metoda de depunere catalitică a vaporilor de carbon a fost descoperită încă din 1959, dar până în 1993 nimeni nu a presupus că nanotuburi ar putea fi obținute în acest proces.

În procesul acestei metode, un substrat este preparat cu un strat de catalizator - particule de metal (cel mai adesea nichel, cobalt, fier sau combinații ale acestora). Diametrul nanotuburilor crescute în acest mod depinde de dimensiunea particulelor de metal.

Substratul este încălzit la aproximativ 700°C. Pentru a iniția creșterea nanotuburilor, în reactor sunt introduse două tipuri de gaze: gaz de proces (de exemplu, amoniac, azot, hidrogen etc.) și gaz cu conținut de carbon (acitilenă, etilenă, etanol, metan etc.). Nanotuburile încep să crească pe locurile catalizatorilor metalici.

Acest mecanism este cea mai comună metodă comercială pentru producerea de nanotuburi de carbon. Printre alte metode de obținere a nanotuburilor, CVD este cea mai promițătoare la scară industrială datorită celui mai bun raport în ceea ce privește prețul unitar. În plus, face posibilă obținerea de nanotuburi orientate vertical pe substratul dorit fără colectare suplimentară, precum și controlul creșterii acestora prin intermediul unui catalizator.

Domenii de utilizare

Nanotuburile de carbon, împreună cu fullerene și structurile mezoporoase de carbon, formează o nouă clasă de nanomateriale de carbon sau structuri de cadru de carbon, cu proprietăți care diferă semnificativ de alte forme de carbon, cum ar fi grafitul și diamantul. Cu toate acestea, nanotuburile sunt cele mai promițătoare dintre ele.

Te interesează afacerile cu nanomateriale? Atunci ar putea fi interesat

Nanotuburi de carbon cu un singur perete au fost descoperite în 1993. Două articole au fost publicate simultan într-un număr al revistei Natură, în care cercetătorii din Japonia Ichihashi și Sumio Iijima, precum și oameni de știință de la IBM, au publicat rezultate privind posibilitatea sintetizării nanotuburilor de carbon cu un singur perete folosind catalizatori metalici. Nanotuburile de carbon sunt campioni, campioni printre alte materiale.

Luați în considerare proprietățile fizice. Conductivitate. Conductivitatea electrică a nanotuburilor de carbon este mult mai mare decât cea a cuprului și argintului. În plus, conducerea balistică este observată la o distanță de câțiva micrometri. Pe de altă parte, nanotuburile de carbon sunt un material semiconductor remarcabil care poate fi comparat cu siliciul în ceea ce privește caracteristicile sale. Folosind nanotuburi de carbon cu un singur perete, este posibil să se obțină tranzistori în care mobilitatea purtătorilor de sarcină depășește semnificativ mobilitatea în tranzistoarele tradiționale de siliciu. În plus, nanotuburile cu un singur perete fac posibilă obținerea de tranzistori pe substraturi flexibile și transparente. Nanotuburile de carbon cu un singur perete au proprietăți termice remarcabile, mai bune decât cele ale diamantului: conductivitatea termică în tuburi este de aproximativ 2 ori mai mare. În plus, nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt un emițător eficient de electroni reci.

Stabilitatea termică a nanotuburilor de carbon este destul de ridicată: poți, fără teamă să le distrugi, să te încălzești până la 1500 de grade Celsius, în timp ce principalul lor competitor - conductorii organici - încep să se descompună deja la o temperatură de aproximativ 150 de grade Celsius. Nanotuburile de carbon sunt un material foarte ușor. Pe de altă parte, au o rezistență specifică ridicată - de 25 de ori mai mare decât cea a oțelului de înaltă rezistență. Acesta este aproape singurul material din care ar fi posibil să se creeze un ascensor spațial, conectând un satelit care se rotește pe orbită geostaționară cu Pământul, sub forma unui cablu, pe care ar fi posibilă ridicarea sarcinilor în spațiu. Adăugarea de nanotuburi de carbon la polimeri face posibilă obținerea de compozite în care proprietățile mecanice se modifică și se obțin materiale compozite foarte puternice, la care și conductibilitatea electrică variază. Dacă materialul este acoperit cu un strat de nanotuburi de carbon, atunci se poate obține un strat care va proteja și va proteja materialul de undele electromagnetice.

Ce se poate spune despre aplicațiile energetice: nanotuburile de carbon pot fi folosite ca anod în bateriile cu litiu, ca supercondensatori și, în plus, sunt elemente eficiente în celulele solare - pe coloranți, precum și pe heterojoncțiuni, unde siliciul π- stratul a fost înlocuit cu nanotuburi cu un singur perete. În plus, este posibil să se realizeze diverși senzori de gaz și optici dintr-o gamă spectrală destul de largă din nanotuburi de carbon. Nanotuburile de carbon pot fi folosite ca electrozi și tranzistori transparenți. Aș vrea să vorbesc despre asta puțin mai detaliat, dar mai târziu.

Aș dori să vorbesc despre conductivitatea nanotuburilor de carbon. După cum am spus, nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt atât un bun conductor de metal, cât și un excelent semiconductor. Tipul de conductivitate este determinat de grupul de simetrie. Dacă cunoaștem indicii de chiralitate, atunci putem prezice proprietățile metalice ale unui nanotub de carbon. Dacă diferența dintre acești indici este 0 sau un multiplu de 3, obținem nanotuburi de carbon care au proprietăți metalice, în timp ce toate celelalte nanotuburi vor fi semiconductoare. Evident, 1/3 din nanotuburile de carbon sunt metalice și 2/3 sunt semiconductoare. Din păcate, niciuna dintre metodele disponibile în prezent nu permite sinteza nanotuburilor de carbon cu o anumită chiralitate. Ce să spunem despre chiralitate - este imposibil să obțineți nanotuburi de carbon chiar și cu o anumită metalitate.

Conform metodelor de atomizare a carbonului, toate metodele pentru sinteza nanotuburilor de carbon pot fi împărțite în fizice și chimice. Metoda fizică se bazează pe evaporarea și sublimarea carbonului. Știm că grafitul are o presiune de vapori foarte scăzută, așa că pentru a vaporiza grafitul, acesta trebuie încălzit la temperaturi de peste 3000 Kelvin. Energia solară, încălzirea prin inducție, ablația cu laser sau descărcarea arcului electric pot fi utilizate pentru aceasta. Această metodă a fost foarte populară în primele zile ale cercetării nanotuburilor de carbon, dar, din păcate, temperaturile ridicate nu permit controlul proprietăților materialului rezultat. Prin urmare, recent a existat o tendință spre studiul nanotuburilor de carbon cu un singur perete - mai exact, metodele de producere a acestora - prin metode chimice. Această metodă se bazează pe descompunerea compușilor de carbon - aceștia pot fi hidrocarburi, alcooli, cetone, orice organic, monoxid de carbon.

La rândul meu, aș împărți metodele chimice în sinteza nanotuburilor de carbon pe substraturi și în fază gazoasă. Sinteza nanotuburilor de carbon pe substraturi este cea mai comună metodă. Vă permite să obțineți nanotuburi de carbon: puteți lua un substrat inert, puteți forma nanoparticule de catalizator pe el, puteți plasa un astfel de substrat într-un reactor pentru un anumit timp (de obicei 5, 10, 20 sau 30 de minute), și apoi să vă bucurați de imaginile obținute pe substratul dvs. într-un microscop electronic. Pe de altă parte, metoda aerosolului nu se bazează pe utilizarea unui substrat, iar toate procesele de formare a nanotuburilor de carbon au loc în fază gazoasă. Există o limită de timp serioasă, deoarece între intrarea și ieșirea aburului în reactor trec aproximativ 10-12 secunde. În acest timp, totul ar trebui să se întâmple: descompunerea precursorului catalizatorului (de obicei fie pentacarbonilul de fier, fie ferocenul este utilizat în astfel de metode), apoi formarea particulelor catalitice de dimensiuni nanometrice, de la 1 la 5 nanometri, descompunerea sau descompunerea carbonului. componentele de pe suprafața catalizatorului și creșterea nanotuburilor de carbon. Totul durează 12 secunde.

Metoda cu aerosoli pentru studierea nanotuburilor de carbon a fost propusă pentru prima dată în 1999 la Universitatea din Houston. Sunt implicat și în sinteza nanotuburilor de carbon prin metoda aerosolilor de aproximativ 13 ani. Consider că această metodă este cea mai promițătoare dintre toate, deoarece permite obținerea de nanotuburi de carbon de înaltă calitate, fără particule catalitice neutilizate, fără carbon amorf, adică un produs care este gata de utilizare pe scară largă atunci când părăsește reactorul. După reactor, nanotuburi de carbon sunt depuse pe un filtru. Apoi pot fi transferate pe orice alt substrat. Acest proces durează literalmente câteva secunde, dar vă permite să obțineți foarte rapid electrozi transparenți de înaltă calitate.

În munca noastră, am folosit nanotuburi de carbon în multe domenii, de la filtre la electronice. Voi da câteva exemple. Filtre de aerosoli. Printr-o peliculă de nanotuburi de carbon trece destul de ușor un flux de gaz care conține particule de aerosoli de care dorim să scăpăm, fără a crea rezistență. În plus, nanoporii fac posibilă filtrarea aproape a tuturor obiectelor. Am măsurat caracteristicile unui astfel de filtru și am constatat că factorul de calitate al filtrelor fabricate din nanotuburi de carbon cu un singur perete este cu un ordin de mărime mai mare decât cel al analogilor disponibili comercial. În plus, am folosit nanotuburi de carbon ca senzori electrochimici - testele standard de dopamină ne-au permis să determinăm un nivel de sensibilitate mai mic de 100 de milianomol într-un interval destul de larg - aproximativ 4 ordine de mărime în concentrație. Filmul cu nanotuburi de carbon este un absorbant laser remarcabil care permite obținerea de impulsuri de 200 de femtosecunde. În plus, nanotuburile de carbon pot fi folosite ca debitmetru, încălzitor de aer, lampă cu incandescență și alte dispozitive. De asemenea, am creat un difuzor termoacustic folosind nanotuburi de carbon suspendate liber. În plus, electrozii transparenți au proprietăți excelente, care cred că vor fi pe piață în curând, deoarece electrozii transparenți pe bază de nanotuburi de carbon cu un singur perete au caracteristici excelente, comparabile cu oxidul de indiu dopat cu staniu.

Nanotuburile de carbon cu un singur perete pot și vor fi folosite cel mai probabil în electronică ca electrozi transparenți. În engleză se numește înlocuire ITO- înlocuirea oxidului de indiu dopat cu staniu, acesta este materialul care este folosit în 75% dintre telefoanele mobile și gadgeturi. Se știe că indiul este un material din pământuri rare, în plus, oxidul de indiu dopat cu staniu este un material destul de fragil care nu poate fi folosit pentru electronice flexibile și transparente, în timp ce nanotuburile de carbon cu un singur perete, mai precis peliculele realizate din acestea, pot fi îndoit în câteva zeci de mii de ori, practic fără nicio modificare a rezistenței la suprafață. În plus, din materialul nostru se pot realiza tranzistori cu efect de câmp cu peliculă subțire, care au caracteristici remarcabile la nivelul tehnologiilor tradiționale cu siliciu, și uneori chiar le depășesc, cu un raport de curent pornit-oprit de 106 și 108 și cu o mobilitate a purtătorului de sarcină de ordinul a 1000 sau mai mult de centimetri pătrați pe volt, pentru o secundă.

Metoda aerosolilor pentru sinteza nanotuburilor de carbon si prepararea peliculelor depuse pe filtru este o oportunitate unica pentru pregatirea componentelor pentru electronica flexibila si transparenta. Depunerea are loc la temperatura camerei, această tehnologie nu necesită vid, este destul de rapidă și ieftină. Scopul nostru este de a crea o producție pe scară largă de nanotuburi de carbon cu posibilitatea de a folosi tehnologia roll pentru utilizarea în electronice flexibile și transparente.

Nanotuburile de carbon sunt materialul la care visează mulți oameni de știință. Factorul de rezistență ridicat, conductivitate termică și electrică excelentă, rezistența la foc și coeficientul de greutate este cu un ordin de mărime mai mare decât majoritatea materialelor cunoscute. Nanotuburile de carbon sunt o foaie de grafen rulată într-un tub. Oamenii de știință ruși Konstantin Novoselov și Andrey Geim au primit Premiul Nobel în 2010 pentru descoperirea sa.

Pentru prima dată, oamenii de știință sovietici au putut observa tuburi de carbon pe suprafața unui catalizator de fier încă din 1952. Cu toate acestea, au fost nevoie de cincizeci de ani pentru ca oamenii de știință să vadă nanotuburile ca un material promițător și util. Una dintre proprietățile izbitoare ale acestor nanotuburi este că proprietățile lor sunt determinate de geometrie. Deci proprietățile lor electrice depind de unghiul de răsucire - nanotuburile pot demonstra conductivitatea semiconductoare și metalică.

Multe domenii promițătoare ale nanotehnologiei de astăzi sunt asociate cu nanotuburi de carbon. Mai simplu spus, nanotuburile de carbon sunt molecule gigantice sau structuri cadru care constau numai din atomi de carbon. Este ușor să ne imaginăm un astfel de nanotub dacă ne imaginăm că grafenul este rulat într-un tub - acesta este unul dintre straturile moleculare de grafit. Metoda de pliere a nanotuburilor determină în mare măsură proprietățile finale ale unui material dat.

Desigur, nimeni nu creează nanotuburi rulându-le special dintr-o foaie de grafit. Nanotuburile se formează ele însele, de exemplu, pe suprafața electrozilor de carbon sau între ei în timpul unei descărcări cu arc. Atomii de carbon în timpul descărcării se evaporă de la suprafață și se combină între ei. Ca rezultat, se formează nanotuburi de diferite tipuri - multistrat, cu un singur strat și cu diferite unghiuri de răsucire.

Clasificarea principală a nanotuburilor se bazează pe numărul straturilor lor constitutive:

Nanotuburile cu un singur perete sunt cel mai simplu tip de nanotuburi. Majoritatea au un diametru de ordinul a 1 nm cu o lungime care poate fi de mii de ori mai mare;
Nanotuburile multistrat, formate din mai multe straturi de grafen, se pliază într-o formă de tub. Între straturi se formează o distanță de 0,34 nm, adică identică cu distanța dintre straturi dintr-un cristal de grafit.

Dispozitiv

Nanotuburile sunt structuri cilindrice extinse de carbon, care pot avea până la câțiva centimetri lungime și de la unu la câteva zeci de nanometri în diametru. În același timp, astăzi există tehnologii care le permit să fie țesute în fire de lungime nelimitată. Ele pot consta dintr-unul sau mai multe avioane de grafen rulate într-un tub, care se termină de obicei într-un cap emisferic.

Diametrul nanotuburilor este de câțiva nanometri, adică de câteva miliarde de metru. Pereții nanotuburilor de carbon sunt formați din hexagoane cu atomi de carbon la vârfuri. Tuburile pot avea un alt tip de structură, el este cel care le afectează proprietățile mecanice, electronice și chimice. Tuburile cu un singur strat au mai puține defecte; în același timp, după recoacere la temperatură ridicată într-o atmosferă inertă, se pot obține și tuburi fără defecte. Nanotuburile cu pereți multipli diferă de nanotuburile standard cu un singur perete într-o varietate mult mai mare de configurații și forme.

Nanotuburile de carbon pot fi sintetizate în multe moduri, dar cele mai comune sunt:

descărcare cu arc. Metoda asigură producerea de nanotuburi pe instalații tehnologice pentru producerea de fulerene în plasma unei descărcări cu arc, care arde în atmosferă de heliu. Dar aici sunt folosite alte moduri de arc: presiune mai mare de heliu și densități scăzute de curent, precum și catozi cu diametru mai mare. Depozitul catodic conține nanotuburi cu lungimea de până la 40 μm; acestea cresc perpendicular față de catod și se combină în mănunchiuri cilindrice.
Metoda de ablație cu laser . Metoda se bazează pe evaporarea unei ținte de grafit într-un reactor special de temperatură înaltă. Nanotuburile se formează pe suprafața răcită a reactorului sub formă de condensat de evaporare a grafitului. Această metodă permite în mod predominant obținerea de nanotuburi cu un singur perete cu diametrul necesar controlat prin intermediul temperaturii. Dar această metodă este mult mai scumpă decât altele.
Depuneri chimice de vapori . Această metodă implică prepararea unui substrat cu un strat de catalizator, care poate fi particule de fier, cobalt, nichel sau combinații ale acestora. Diametrul nanotuburilor crescute în acest mod va depinde de dimensiunea particulelor utilizate. Substratul se încălzește până la 700 de grade. Pentru a iniția creșterea nanotuburilor, în reactor sunt introduse un gaz care conține carbon și un gaz de proces (hidrogen, azot sau amoniac). Nanotuburile cresc pe catalizatori metalici.

Aplicații și caracteristici

Aplicații în fotonică și optică . Prin selectarea diametrului nanotuburilor, se poate asigura absorbția optică într-un interval spectral mare. Nanotuburile de carbon cu un singur perete prezintă o neliniaritate puternică a absorbției saturabile, adică devin transparente la lumină suficient de intensă. Prin urmare, ele pot fi folosite pentru diverse aplicații în domeniul fotonicii, de exemplu, în routere și comutatoare, pentru a crea impulsuri laser ultrascurte și pentru a regenera semnale optice.
Aplicație în electronică . În acest moment, au fost anunțate multe modalități de utilizare a nanotuburilor în electronică, dar doar o mică parte din ele pot fi implementate. De cel mai mare interes este utilizarea nanotuburilor în conductoare transparente ca material de interfață rezistent la căldură.

Relevanța încercărilor de introducere a nanotuburilor în electronică este cauzată de necesitatea înlocuirii indiului în radiatoare, care sunt utilizate în tranzistoarele de mare putere, procesoarele grafice și procesoarele centrale, deoarece stocurile acestui material sunt în scădere, iar prețul acestuia este în creștere. .

Crearea senzorilor . Nanotuburile de carbon pentru senzori sunt una dintre cele mai interesante soluții. Filmele ultrasubțiri realizate din nanotuburi cu un singur perete pot deveni în prezent cea mai bună bază pentru senzorii electronici. Ele pot fi produse folosind diferite metode.
Crearea de biocipuri, biosenzori , controlul livrării și acțiunii direcționate a medicamentelor în industria biotehnologiei. Lucrările în această direcție se desfășoară în prezent cu putere. Analiza de mare debit efectuată folosind nanotehnologia va reduce semnificativ timpul necesar pentru a aduce tehnologia pe piață.
Astăzi crește rapid producerea de nanocompozite , majoritatea polimerice. Atunci când chiar și o cantitate mică de nanotuburi de carbon este introdusă în ele, se asigură o schimbare semnificativă a proprietăților polimerilor. Deci cresc rezistența termică și chimică, conductivitatea termică, conductivitatea electrică, îmbunătățesc caracteristicile mecanice. Zeci de materiale au fost îmbunătățite prin adăugarea de nanotuburi de carbon la ele;

— fibre compozite pe bază de polimeri cu nanotuburi;
— compozite ceramice cu aditivi. Creste rezistenta la fisurare a ceramicii, apare protectia radiatiilor electromagnetice, creste conductivitatea electrica si termica;
- beton cu nanotuburi - creste gradul, rezistenta, rezistenta la fisurare, scade contractia;
- compozite metalice. În special compozitele de cupru, ale căror proprietăți mecanice sunt de câteva ori mai mari decât cele ale cuprului obișnuit;
- compozite hibride, care conțin trei componente simultan: fibre anorganice sau polimerice (țesături), un liant și nanotuburi.

Avantaje și dezavantaje

Printre avantajele nanotuburilor de carbon se numără:

Multe proprietăți unice și cu adevărat utile care pot fi aplicate în domeniul soluțiilor de eficiență energetică, fotonică, electronică și alte aplicații.
Este un nanomaterial care are un factor de rezistență ridicat, conductivitate termică și electrică excelentă și rezistență la foc.
Îmbunătățirea proprietăților altor materiale prin introducerea unei cantități mici de nanotuburi de carbon în ele.
Nanotuburile de carbon deschise prezintă un efect capilar, ceea ce înseamnă că pot atrage metale topite și alte lichide;
Nanotuburile combină proprietățile unui solid și ale moleculelor, ceea ce deschide perspective semnificative.

Printre dezavantajele nanotuburilor de carbon se numără:

Nanotuburile de carbon nu sunt în prezent produse la scară industrială, astfel încât utilizarea lor comercială este limitată.
Costul de producție al nanotuburilor de carbon este ridicat, ceea ce limitează și aplicarea acestora. Cu toate acestea, oamenii de știință lucrează din greu pentru a reduce costurile de producție.
Necesitatea de a îmbunătăți tehnologiile de producție pentru a crea nanotuburi de carbon cu proprietăți precis specificate.

perspective

În viitorul apropiat, nanotuburile de carbon vor fi folosite peste tot, vor fi folosite pentru a crea:

Nanobalanțele, materiale compozite, fire rezistente.
Pile de combustie, suprafete conductoare transparente, nanofire, tranzistoare.
Cele mai recente evoluții în neurocomputer.
Display-uri, LED-uri.
Dispozitive de stocare a metalelor și gazelor, capsule pentru molecule active, nanopipete.
Nanoroboți medicali pentru livrarea și operațiunile de medicamente.
Senzori miniaturali cu sensibilitate ultra-înalta. Astfel de nanosenzori pot găsi aplicații în aplicații biotehnologice, medicale și militare.
Cablu pentru lift spațial.
Difuzoare plate transparente.
muschi artificiali. În viitor vor apărea cyborgi, roboți, persoanele cu dizabilități vor reveni la o viață plină.
Motoare și generatoare de energie.
Îmbrăcăminte inteligentă, ușoară și confortabilă, care vă va proteja împotriva oricărei adversități.
Supercondensatoare sigure cu încărcare rapidă.

Toate acestea sunt în viitor, deoarece tehnologiile industriale pentru crearea și utilizarea nanotuburilor de carbon se află în stadiul inițial de dezvoltare, iar prețul lor este extrem de scump. Dar oamenii de știință ruși au anunțat deja că au găsit o modalitate de a reduce costul creării acestui material de două sute de ori. Această tehnologie unică pentru producerea nanotuburilor de carbon este în prezent ținută secretă, dar ar trebui să revoluționeze industria și multe alte domenii.

Nanotuburile de carbon creează o nouă ramură a industriei și științei materialelor

Substanțele din categoria „nano”, adică cu particule mai mici de 100 nm, sunt astăzi reprezentate de carbon tehnic (funingine) și silicagel („funingine albă”). Volumele de producție ale altor nanomateriale sunt incomparabil mai mici. Dar acum situația se schimbă, nanotuburile de carbon au intrat pe piață. nanotuburi de carbon- acestea sunt structuri cilindrice extinse constând din unul sau mai multe planuri de grafit hexagonale (asemănătoare geometric cu un fagure) rulate într-un tub

Microtuburile de carbon au fost brevetate la sfârșitul secolului al XIX-lea, iar nanotuburile au fost obținute pentru prima dată la Institutul de Chimie Fizică din Moscova în anii 1950, apoi în Japonia în anii 1970 și în cele din urmă „descoperite” în Japonia în 1991. De atunci, interesul pentru conducte a crescut constant.

Nanotuburile nu au analogi în ceea ce privește setul de proprietăți necesare

Legătura atomilor de carbon între ei în nanotuburi are o putere record. Modulul Young (dimensiunea de presiune care caracterizează rezistența unei substanțe la tracțiune sau compresie) al nanotuburilor este mai mare de 1 TPa (aproximativ 1 milion de atmosfere - mai mare decât cel al diamantului). Conductivitatea termică a nanotuburilor este de opt ori mai mare decât cea a cuprului, iar conductivitatea electrică nu respectă legea lui Ohm. Densitatea de curent în tuburi poate fi de o mie de ori mai mare decât densitatea la care explodează firul de cupru.

Producția mondială de nanotuburi a depășit 1.000 de tone pe an. Utilizarea materialelor din nanotuburi de carbon sau care conțin nanotuburi de carbon a devenit un nou sector al economiei care nu a fost afectat de criza financiară globală.

Cererea globală de nanotuburi în 2010 este estimată la 10.000 de tone. Sunt produse de peste 40 de companii. limba germana Bayer francezii intenționează să extindă capacitatea de producție la 3.000 t/an până în 2012 Arkema are o fabrică cu o capacitate anuală de 400 de tone, chinezească CNano - 500 t/g, iar cel belgian Nanocil - 400 t/g. Până la 500 t/an crește producția de nanofibre de carbon japoneze Showa Denko .

Materialele nanostructurate sunt împărțite în două grupuri mari. Materialele unuia sunt 95–100% nanotuburi. Materialele celui de-al doilea - nanocompozitele - dimpotrivă, conțin puține nanotuburi, până la 5%.

Materiale din nanotuburi

Forma nanotuburilor le permite să fie stivuite în două moduri: aleatoriu sau ordonat, ceea ce afectează proprietățile materialelor. Nanotuburile pot fi modificate prin atașarea diferitelor grupuri chimice și nanoparticule la ele. De asemenea, modifică proprietățile nanotuburilor și ale materialelor acestora.

Materialele din primul grup includ structuri „monolitice” ale nanotuburilor; acoperiri, filme și nanohârtie din tuburi; fibre tubulare; „pădure” - nanotuburi dispuse paralel între ele și perpendicular pe substrat. Materialele „monolitice” nu sunt utilizate pe scară largă.

Din nanotuburi lungi încurcate, a fost izolat un „cauciuc” care este rezistent la distrugere sub sarcini ciclice și temperaturi de la –140 la +900 °C. Performanța sa este cu mult superioară cauciucului siliconic, care este considerat cel mai bun material vâscoelastic.

Acoperirile, filmele și nanohârtia sunt obținute fie în timpul sintezei tuburilor, fie din dispersiile acestora (soluții coloidale). Primul grup de metode este la temperatură ridicată, al doilea nu necesită încălzire. Cel mai simplu macromaterial din tuburi, nanohârtia, are o grosime de 10–30 nm și este produs prin filtrarea dispersiilor.

Companie Tehnologii Nanocomp (SUA) vinde foi de nanohârtie cu o suprafață de aproximativ 3 m2 și intenționează să înființeze o unitate de producție cu o capacitate de 4-6 t/an. Metode implementate pentru obținerea rolelor de nanohârtie.

Filtrele sunt fabricate din nanohârtie (inclusiv pentru îndepărtarea virușilor sau desalinizarea apei), protecție împotriva radiațiilor electromagnetice, componente de încălzire, senzori, actuatoare, emițători de câmp, electrozi ai dispozitivelor electrochimice, purtători de catalizatori etc.

Filmele și acoperirile conductoare transparente concurează cu soluția solidă de oxizi de indiu și staniu și pot înlocui acest material scump și fragil în electronice, senzori și fotovoltaice.

companie americană Eikos s-a dezvoltat și din 2005 furnizează compoziția Cerneală Invisicon pentru depunerea peliculelor subtiri de nanotuburi pe substraturi.

Fibrele din nanotuburi de carbon păreau a fi materialul ideal de prindere pentru „liftul spațial” pentru ridicarea economică a sarcinilor utile pe orbita Pământului. Cu toate acestea, transferul proprietăților nanotuburilor către macromateriale s-a dovedit a fi departe de a fi o sarcină simplă.

Fibrele sunt obținute în diferite moduri. Metodele „uscate” includ formarea din aerogelul format în timpul pirolizei hidrocarburilor și filarea din „lemn”.

Tehnologia de trage și răsucire a fibrelor din aerogel - „fum moale” - a fost dezvoltată în Universitatea Cambridge . O hidrocarbură este alimentată în zona de reacție la temperatură ridicată, din care se formează un aerogel (adică un gel în care faza lichidă este complet înlocuită cu una gazoasă). Din el, ca pe vremuri dintr-un cârlig, se toarnă fibra. În Israel, o companie a fost înființată în 2010 pentru a produce armuri și acoperiri de protecție din compozite hibride care conțin nanotuburi Cambridge.

Învârtirea din „pădure” este ca și cum ai obține fire de mătase din coconii de viermi de mătase.

Metode de soluție pentru producerea fibrelor - extrudarea dispersiilor într-un curent lichid sau extragerea din soluții coloidale în superacizi (acizi mai puternici decât sulfuric).

Companie Tehnologii Nanocomp a anunțat furnizarea de fibre puternice de până la 10 km lungime, pentru fabricarea cărora se folosesc nanotuburi lungi. Firele răsucite au o rezistență de 3 GPa și sunt deja superioare Kevlarului în unele privințe.

„Pădurea” în ceea ce privește un set de proprietăți nu are analogi - este un material elastic, conductiv electric și termic, care poate lua diferite forme și poate fi modificat. În 2004, a fost descris un proces de super-creștere „pădure” de înaltă performanță: obținerea de nanotuburi de carbon foarte pure cu lungimea de până la 15–18 mm, ceea ce reduce semnificativ costul acestora.

Japonia se pregătește să înceapă producția pe baza procesului de supergrowth. Capacitatea sa este de numai 600 g/h de nanotuburi cu un singur perete, dar este planificat să o crească la 10 t/g în curând.

„Forest” poate fi folosit pentru a crea electrozi supercondensatori, emițători de câmp și celule solare, ca o componentă a compozitelor pe bază de polimeri. Prin așezarea „pădurii” pe suprafața substratului s-au obținut panglici dense. În ceea ce privește conductivitatea electrică specifică, acestea pot depăși metalele și își vor găsi aplicație în industria aerospațială.

Benzile musculare artificiale realizate din nanotuburi paralele funcționează la temperaturi de la 80 la 1900 K și, atunci când se aplică un potențial electric, asigură o alungire foarte mare. Astfel de convertoare de energie electrică în energie mecanică sunt mult mai eficiente decât piezocristalele.

Materiale cu un amestec de nanotuburi

Producția de materiale din al doilea grup - nanocompozite, în principal polimeri, este în creștere bruscă.

Introducerea chiar și a unor cantități mici de nanotuburi de carbon modifică semnificativ proprietățile polimerilor, conferă conductivitate electrică, crește conductivitatea termică, îmbunătățește caracteristicile mecanice, stabilitatea chimică și termică. Au fost create nanocompozite bazate pe zeci de polimeri diferiți și au fost dezvoltate multe metode de preparare a acestora.

Fibrele compozite create pe baza polimerilor cu nanotuburi pot fi utilizate pe scară largă.

Aproape toate cele ale companiei Bayer nanotuburile sunt folosite pentru compozitele polimerice. Companie Arkema își furnizează nanotuburile pentru compozite termoplastice și Nanocil - pentru polimeri termocontractabili și preimpregnate cu fibre de carbon (preimpregnate sunt materiale compozite semifabricate pentru prelucrare ulterioară).

companie americană Hyperion Catalysis Int. , un pionier în producția industrială de nanotuburi, produce concentrate pentru încorporare în rășini epoxidice și polimeri.

Tipuri de nanotuburi

Compozitele ceramice sunt create pe baza multor substanțe refractare, cu toate acestea, în ceea ce privește dezvoltarea industrială, sunt considerabil inferioare nanocompozitelor pe bază de polimeri. Ca și în cazul polimerilor, adaosurile de cantități mici de nanotuburi cresc conductivitatea electrică și termică, oferă capacitatea de a proteja împotriva radiațiilor electromagnetice și, cel mai important, măresc rezistența la fisurare a ceramicii.

Introducerea unor cantități foarte mici de nanotuburi în beton îi crește gradul, rezistența la fisurare, rezistența și reduce contracția.

Compozitele metalice sunt create cu metale și aliaje neferoase comune. Cea mai mare atenție este acordată compozitelor de cupru, ale căror proprietăți mecanice sunt de două până la trei ori mai mari decât cele ale cuprului. Mulți compuși au rezistență și duritate crescute, coeficienți mai mici de dilatare termică și frecare.

Compozitele hibride conțin de obicei trei componente: fibre polimerice sau anorganice (țesături), nanotuburi și un liant. Această clasă include preimpregnate .

O companie americană este specializată în producția de preimpregnate cu nanotuburi Materiale de performanță Zyvex . Nanotuburile cresc rezistența și rigiditatea preimpregnatelor cu 30-50%. Preimpregnate folosite pentru a crea bărci de recunoaștere maritimă fără pilot "Piranha" .

În Statele Unite, în 2009, a zburat prima aeronavă de acrobație aeriană cu caren de motor realizat dintr-un compozit cu nanotuburi. Câteva elemente ale corpului aeronavei F-35 companiilor Martin Lockheed realizate din astfel de compozite, aproximativ 100 de părți dintr-o structură de pasager Boeing 787 se presupune că se face folosind nanotuburi.

Companie Nanocil produce rășină epoxidică cu tuburi Epocil și preimpregnate pregcil pe bază de fibre de sticlă, fibre de carbon sau aramid. Aditivii cresc rezistența la fisurare cu 100%, rezistența la forfecare interlaminară cu 15% și reduc coeficientul de dilatare termică. Se presupune că va folosi compozite în industria auto și aviație, pentru veste antiglonț. Acestea reduc greutatea palelor de 49 de metri ale turbinelor eoliene de la 7,3 la 5,8 tone.

companie finlandeza Amroy Europe Oy folosind producția de nanotuburi Bayer , eliberează concentrat epoxidic Hibtonita pentru nave maritime, turbine eoliene, echipamente sportive etc.

Pentru preimpregnate canadiene Nanoledge foloseste tuburi ale companiei Bayer , dar Tehnologii Nanocomp produce foi de suprafață mare și role de nanohârtie.

Compozitele hibride pot prezenta proprietăți de deteriorare a senzorului.

Biocompozite au fost create și cu diferite matrice. Sunt studiate materiale pentru implanturi osoase, filme pentru creșterea țesuturilor musculare și osoase, celule retiniene și epiteliale ale ochiului, rețele de neuroni, precum și compozite biofuncționale și biosenzori.

Exemplele nu epuizează diversitatea și proprietățile materialelor cu nanotuburi. Domeniile lor de aplicare se extind, încep să determine nivelul de dezvoltare al științei materialelor nanostructurate, starea generală a științei și tehnologiei în fiecare țară.

Eduard Rakov, doctor în chimie, șef al Departamentului de Nanotehnologie și Nanomateriale, Universitatea Tehnică de Chimie din Rusia, numită după. DI. Mendeleev