Portalda reklama

Uglerod nanotubalari, ularning ishlab chiqarilishi, xossalari va qo'llanilishi. Bir devorli uglerod nanotubalari Nanotubalardagi eksitonlar va bieksitonlar

Klasterlarning yana bir klassi cho'zilgan silindrsimon uglerod birikmalari bo'lib, keyinchalik ularning tuzilishini aniqlab bo'lgach, " uglerod nanotubalari"(CNT). CNTlar uglerod atomlaridan qurilgan katta, ba'zan hatto juda katta (10 6 atomdan ortiq) molekulalardir.

Oddiy strukturaviy sxema bir devorli CNT va uning molekulyar orbitallarini kompyuterda hisoblash natijasi 2-rasmda ko'rsatilgan. 3.1. Oq chiziqlar bilan tasvirlangan barcha olti burchakli va beshburchaklarning uchlarida sp 2 gibridlanish holatidagi uglerod atomlari mavjud. CNT ramka tuzilishini aniq ko'rinadigan qilish uchun bu erda uglerod atomlari ko'rsatilmagan. Ammo ularni tasavvur qilish qiyin emas. Kulrang ohang CNT ning lateral yuzasi molekulyar orbitallarining ko'rinishini ko'rsatadi.

3.1-rasm

Nazariya shuni ko'rsatadiki, bir devorli CNT ning yon sirtining tuzilishini quvurga o'ralgan bir qatlamli grafit sifatida tasavvur qilish mumkin. Ushbu qatlamni faqat silindrsimon sirt yopilganda olti burchakli panjaraning o'zi bilan moslashishiga erishiladigan yo'nalishlarda o'ralishi mumkinligi aniq. Shuning uchun, CNTlar faqat ma'lum diametrlar to'plamiga ega va tasniflanadi yoqilgan olti burchakli panjaraning katlama yo'nalishini ko'rsatadigan vektorlar. CNTlarning ko'rinishi ham, xususiyatlarining o'zgarishi ham bunga bog'liq. Uchta tipik variant 3.2-rasmda ko'rsatilgan.

Mumkin CNT diametrlari to'plami bir-biriga mos keladi diapazon 1 nm dan bir oz kamroq dan ko'p o'nlab nanometrlargacha. LEKIN uzunligi CNTlar o'nlab mikrometrlarga yetishi mumkin. Yozib olish yoqilgan CNT uzunligi allaqachon 1 mm chegarasidan oshib ketgan.

Etarlicha uzun CNTlar (qachon uzunligi diametridan ancha katta) bir o'lchovli kristall sifatida qaralishi mumkin. Ularda trubaning o'qi bo'ylab ko'p marta takrorlanadigan "elementar hujayra" ni ajratib ko'rsatish mumkin. Va bu uzoq uglerod nanotubalarining ba'zi xususiyatlarida aks etadi.

Grafit qatlamining katlama vektoriga qarab (mutaxassislar: "dan xirallik") nanotubalar ham o'tkazgichlar, ham yarim o'tkazgichlar bo'lishi mumkin. "Egar" deb ataladigan strukturaning CNTlari har doim ancha yuqori, "metall" elektr o'tkazuvchanligiga ega.


Guruch. 3.2

CNTlarni uchlarida yopadigan "qopqoqlar" ham boshqacha bo'lishi mumkin. Ular turli fullerenlarning "yarmlari" shakliga ega. Ularning asosiy variantlari rasmda ko'rsatilgan. 3.3.

Guruch. 3.3 Bir devorli CNTning "qopqoqlari" ning asosiy variantlari

Shuningdek bor ko'p qatlamli CNTlar. Ulardan ba'zilari o'ramga o'ralgan grafit qatlamiga o'xshaydi. Ammo ko'pchilik van der Waals kuchlari bilan bir-biriga bog'langan bir qatlamli quvurlardan iborat. Agar bir devorli CNTlar deyarli har doim qopqoqlar bilan yopiladi, keyin ko'p qatlamli CNTlar ham qisman ochiq. Ular odatda bitta devorli CNTlarga qaraganda ancha kichik strukturaviy nuqsonlarni ko'rsatadilar. Shuning uchun, elektronikada ilovalar uchun ikkinchisiga ustunlik beriladi.

CNTlar nafaqat to'g'ri chiziqli, balki egri chiziqli bo'lib, "tizza" hosil qilish uchun egilib, hatto torusning bir turi shaklida butunlay buklanadi. Ko'pincha bir nechta CNTlar bir-biriga mahkam bog'langan va to'plamlarni hosil qiladi.

Nanotubalar uchun ishlatiladigan materiallar

Uglerod nanotubalarini (CNTs) sintez qilish usullarini ishlab chiqish sintez haroratini pasaytirish yo'lidan bordi. Fullerenlar ishlab chiqarish texnologiyasi yaratilgandan so'ng, grafit elektrodlarining elektr yoyi bug'lanishi jarayonida fullerenlarning hosil bo'lishi bilan birga cho'zilgan silindrsimon tuzilmalar paydo bo'lishi aniqlandi. Mikroskopchi Sumio Iijima transmissiya elektron mikroskopidan (TEM) foydalangan holda birinchi bo'lib bu tuzilmalarni nanotubalar sifatida aniqladi. CNTlarni ishlab chiqarish uchun yuqori haroratli usullarga elektr yoy usuli kiradi. Agar grafit novda (anod) elektr yoyida bug'lantirilsa, u holda qarama-qarshi elektrodda (katod) qattiq uglerod birikmasi (kon) hosil bo'ladi, uning yumshoq yadrosida diametri 15- bo'lgan ko'p devorli CNTlar mavjud. 20 nm va uzunligi 1 mkm dan ortiq.

Kuyga yuqori haroratli issiqlik ta'sirida fulleren kuyasidan CNT hosil bo'lishini birinchi marta Oksford va Shveytsariya guruhlari kuzatgan. Elektr yoyi sintezi uchun o'rnatish metallni ko'p talab qiladi, energiya sarflaydi, lekin har xil turdagi uglerod nanomateriallarini olish uchun universaldir. Muhim muammo - bu yoyni yoqish paytida jarayonning muvozanatsizligi. Elektr yoy usuli bir vaqtning o'zida lazerli bug'lanish (ablatsiya) usulini lazer nuriga almashtirdi. Ablatsiya moslamasi 1200 ° S haroratda ishlaydigan an'anaviy rezistiv isitish pechidir. Unda yuqori haroratni olish uchun o'choqqa uglerod nishonini qo'yish va unga lazer nurini yo'naltirish, navbat bilan nishonning butun yuzasini skanerlash kifoya. Shunday qilib, Smalley guruhi 1995 yilda qisqa impulsli lazerli qimmatbaho qurilmalardan foydalangan holda nanotubalarni qo'lga kiritdi va ularni sintez qilish texnologiyasini "sezilarli darajada soddalashtirdi".

Biroq, CNTsning rentabelligi pastligicha qoldi. Nikel va kobaltning kichik qo'shimchalarini (0,5 at.%) grafitga kiritish CNTs hosildorligini 70-90% gacha oshirishga imkon berdi. Shu paytdan boshlab nanotuba hosil bo'lish mexanizmi kontseptsiyasida yangi bosqich boshlandi. Metall o'sish katalizatori ekanligi ayon bo'ldi. Shunday qilib, birinchi ishlar past haroratli usulda - uglevodorodlarning katalitik piroliz usulida (CVD) nanotubalarni ishlab chiqarish bo'yicha paydo bo'ldi, bu erda katalizator sifatida temir guruhi metallining zarralari ishlatilgan. CVD usuli bo'yicha nanotubalar va nanotolalarni ishlab chiqarish uchun o'rnatish variantlaridan biri katalizator va uglevodorodni yuqori harorat zonasiga olib boradigan inert tashuvchi gaz etkazib beriladigan reaktordir.

Soddalashtirilgan, CNT o'sish mexanizmi quyidagicha. Uglevodorodning termal parchalanishi paytida hosil bo'lgan uglerod metall nanozarrachada eriydi. Zarrachada uglerodning yuqori konsentratsiyasiga erishilganda, katalizator zarrasining yuzlaridan birida, buzilgan yarimfuleren qopqog'i shaklida ortiqcha uglerodning energiya jihatidan qulay "chiqishi" sodir bo'ladi. Nanotubka shunday tug'iladi. Parchalangan uglerod katalizator zarrachasiga kirishda davom etadi va uning kontsentratsiyasining ortiqcha miqdorini eritmada chiqarish uchun uni doimo utilizatsiya qilish kerak. Eritma yuzasidan ko'tarilgan yarim shar (semifulleren) o'zi bilan erigan ortiqcha uglerodni olib yuradi, uning atomlari eritmadan tashqarida C-C aloqasini hosil qiladi, bu silindrsimon ramka-nanotubadir.

Nano o'lchamdagi zarrachaning erish harorati uning radiusiga bog'liq. Radius qanchalik kichik bo'lsa, Gibbs-Tompson effekti tufayli erish nuqtasi shunchalik past bo'ladi. Shuning uchun, taxminan 10 nm o'lchamdagi temir nanozarralari 600 ° C dan pastroq erigan holatda bo'ladi. Bugungi kunga kelib, CNTlarning past haroratli sintezi 550 ° C da Fe zarralari ishtirokida asetilenning katalitik pirolizlanishi orqali amalga oshirildi. Sintez haroratini pasaytirish ham salbiy oqibatlarga olib keladi. Pastroq haroratlarda katta diametrli (taxminan 100 nm) va "bambuk" yoki "uyali nanokonlar" kabi kuchli nuqsonli tuzilishga ega CNTlar olinadi. Olingan materiallar faqat ugleroddan iborat, lekin ular lazerli ablasyon yoki elektr yoy sintezi natijasida olingan bir devorli uglerod nanotubalarida kuzatilgan favqulodda xarakteristikaga (masalan, Young moduli) yaqinlashmaydi.

Taxminlarga ko'ra, uglerod nanotubalarining kashfiyotchisi Yaponiyaning NEC korporatsiyasi xodimi Sumio Iijima bo'lib, u 1991 yilda sof uglerodning molekulyar shakllarini sintez qilish jarayonida hosil bo'lgan konlarni elektron mikroskop ostida o'rganish paytida ko'p qatlamli nanotubalar tuzilmalarini kuzatgan. hujayra tuzilishi.

Tasniflash

Nanotubalarning asosiy tasnifi ularni tashkil etuvchi qatlamlar soniga asoslanadi.

Bir devorli nanotubalar(bir devorli nanotubalar, SNWTs) - nanotubkalarning eng oddiy turi. Ularning ko'pchiligi diametri taxminan 1 nm bo'lib, uzunligi minglab marta uzunroq bo'lishi mumkin. Bir devorli nanotubalarning tuzilishi burchak uchlarida joylashgan uglerod atomlari bo'lgan olti burchakli grafit (grafen) ning olti burchakli tarmog'ini choksiz silindrga "o'rash" sifatida ifodalanishi mumkin. Naychalarning yuqori uchlari yarim sharsimon qopqoqlar bilan yopiladi, ularning har bir qatlami olti burchakli va beshburchaklardan iborat bo'lib, yarim fulleren molekulasining tuzilishiga o'xshaydi.

Shakl 1. Bir qavatli nanonaychaning grafik tasviri

Ko'p qatlamli nanotubalar(ko'p devorli nanotubalar, MWNTs) kolba shaklida yig'ilgan bir necha grafen qatlamlaridan iborat. Qatlamlar orasidagi masofa 0,34 nm, ya'ni kristalli grafitdagi qatlamlar orasidagi masofaga teng.

Ularning tuzilishini tavsiflash uchun ikkita model qo'llaniladi. Ko'p qatlamli nanotubalar bir-birining ichiga joylashtirilgan bir nechta bir qavatli nanotubalar bo'lishi mumkin ("matryoshka" deb ataladi). Boshqa holatda, grafenning bir "varaq"i o'zini bir necha marta o'rab oladi, bu pergament yoki gazetani aylantirishga o'xshaydi ("pergament" modeli).

2-rasm. Ko'p qatlamli nanotubening grafik tasviri (matryoshka modeli)

Sintez usullari

Nanotubalarni sintez qilishning eng keng tarqalgan usullari elektr yoyi usuli, lazer ablasyonu va kimyoviy bug'larni cho'ktirish (CVD).

Ark zaryadsizlanishi - Ushbu usulning mohiyati fullerenlarni ishlab chiqarish uchun texnologik qurilmalarda geliy atmosferasida yonib ketadigan yoyli oqim plazmasida uglerod nanotubalarini ishlab chiqarishdan iborat. Biroq, bu erda kamonning boshqa usullari qo'llaniladi: kamon zaryadining past oqim zichligi, yuqori geliy bosimi (~ 500 Torr), kattaroq diametrli katodlar.

Nanotubalar unumini oshirish uchun grafit novda ichiga katalizator (temir guruhi metallari aralashmasi) kiritiladi, inert gazning bosimi va chayqalish rejimi o'zgartiriladi.

Katod konidagi nanotubalarning miqdori 60% ga etadi. Olingan uzunligi 40 mkm gacha bo'lgan nanotubalar katoddan uning yuzasiga perpendikulyar o'sadi va diametri taxminan 50 km bo'lgan silindrsimon nurlarga birlashadi.

Lazerli ablasyon

Bu usul Richard Smalley va Rays universiteti tomonidan ixtiro qilingan va yuqori haroratli reaktorda grafit nishonining bug'lanishiga asoslangan. Nanotubalar reaktorning sovutilgan yuzasida grafit bug'lanish kondensati sifatida paydo bo'ladi. Suv bilan sovutilgan sirt nanotube yig'ish tizimiga kiritilishi mumkin.

Ushbu usulda mahsulot rentabelligi taxminan 70% ni tashkil qiladi. Uning yordami bilan diametri reaksiya harorati bilan boshqariladigan, asosan, bir devorli uglerod nanotubalari olinadi. Biroq, bu usulning narxi boshqalarga qaraganda ancha qimmat.

Kimyoviy bug'larning cho'kishi (CVD)

Katalitik uglerod bug'ini cho'ktirish usuli 1959 yilda kashf etilgan, ammo 1993 yilgacha hech kim bu jarayonda nanotubalarni olish mumkinligini taxmin qilmagan.

Ushbu usul jarayonida katalizator qatlami - metall zarralari (ko'pincha nikel, kobalt, temir yoki ularning birikmalari) bilan substrat tayyorlanadi. Shu tarzda o'stirilgan nanotubalarning diametri metall zarrachalarining o'lchamiga bog'liq.

Substrat taxminan 700 ° S ga qadar isitiladi. Nanotubalarning o'sishini boshlash uchun reaktorga ikki turdagi gazlar kiritiladi: texnologik gaz (masalan, ammiak, azot, vodorod va boshqalar) va uglerod o'z ichiga olgan gaz (atsitilen, etilen, etanol, metan va boshqalar). Nanotubalar metall katalizatorlar joylashgan joylarda o'sishni boshlaydi.

Ushbu mexanizm uglerod nanotubalarini ishlab chiqarishning eng keng tarqalgan tijorat usuli hisoblanadi. Nanotubalarni olishning boshqa usullari qatorida CVD birlik narxi bo'yicha eng yaxshi nisbat tufayli sanoat miqyosida eng istiqbolli hisoblanadi. Bundan tashqari, bu qo'shimcha yig'ishsiz kerakli substratda vertikal yo'naltirilgan nanotubalarni olish, shuningdek, katalizator yordamida ularning o'sishini nazorat qilish imkonini beradi.

Foydalanish sohalari

Uglerod nanotubalari fullerenlar va mezoporli uglerod tuzilmalari bilan birgalikda uglerod nanomateriallarining yangi sinfini yoki grafit va olmos kabi boshqa uglerod shakllaridan sezilarli darajada farq qiluvchi xususiyatlarga ega uglerod ramka tuzilmalarini hosil qiladi. Biroq, ular orasida nanotubalar eng istiqbolli hisoblanadi.

Nanomateryallar biznesiga qiziqasizmi? Keyin sizni qiziqtirishi mumkin

Bir devorli uglerod nanotubalari 1993 yilda kashf etilgan. Jurnalning bir sonida bir vaqtning o'zida ikkita maqola chop etildi Tabiat, unda yaponiyalik tadqiqotchilar Ichixashi va Sumio Iijima, shuningdek, IBM olimlari metall katalizatorlar yordamida bir devorli uglerod nanotubalarini sintez qilish imkoniyati bo'yicha natijalarni e'lon qilishdi. Uglerod nanotubalari boshqa materiallar orasida chempionlar, chempionlardir.

Jismoniy xususiyatlarni ko'rib chiqing. O'tkazuvchanlik. Uglerod nanotubalarining elektr o'tkazuvchanligi mis va kumushnikiga qaraganda ancha yuqori. Bundan tashqari, ballistik o'tkazuvchanlik bir necha mikrometr masofada kuzatiladi. Boshqa tomondan, uglerod nanotubalari o'z xususiyatlariga ko'ra kremniy bilan solishtirish mumkin bo'lgan ajoyib yarim o'tkazgich materialidir. Bir devorli uglerod nanotubalari yordamida zaryad tashuvchilarning harakatchanligi an'anaviy kremniy tranzistorlardagi harakatchanlikdan sezilarli darajada oshib ketadigan tranzistorlarni olish mumkin. Bundan tashqari, bir devorli nanotubalar moslashuvchan va shaffof substratlarda tranzistorlar olish imkonini beradi. Bir devorli uglerod nanotubalari olmosnikidan yaxshiroq ajoyib issiqlik xususiyatlariga ega: quvurlardagi issiqlik o'tkazuvchanligi taxminan 2 baravar yuqori. Bundan tashqari, bitta devorli uglerod nanotubalari sovuq elektronlarning samarali maydon emitentidir.

Uglerod nanotubalarining issiqlik barqarorligi ancha yuqori: siz ularni yo'q qilishdan qo'rqmasdan 1500 darajagacha qizdirishingiz mumkin, ularning asosiy raqobatchisi - organik o'tkazgichlar esa 150 daraja Selsiy bo'yicha allaqachon parchalana boshlaydi. Uglerod nanotubalari juda yengil materialdir. Boshqa tomondan, ular yuqori o'ziga xos kuchga ega - yuqori quvvatli po'latdan 25 baravar yuqori. Bu Yer bilan geostatsionar orbitada aylanuvchi sun'iy yo'ldoshni kabel ko'rinishida bog'laydigan kosmik liftni yaratish mumkin bo'lgan deyarli yagona material bo'lib, u orqali yuklarni kosmosga ko'tarish mumkin bo'ladi. Polimerlarga uglerod nanotubalarining qo'shimchalari mexanik xossalari o'zgarib turadigan, elektr o'tkazuvchanligi ham o'zgarib turadigan juda kuchli kompozit materiallar olinadigan kompozitlarni olish imkonini beradi. Agar material uglerod nanotubalari qatlami bilan qoplangan bo'lsa, u holda materialni elektromagnit to'lqinlardan himoya qiladigan va himoya qiladigan qatlamni olish mumkin.

Energiya qo'llanilishi haqida nima deyish mumkin: uglerod nanotubalari lityum batareyalarda anod sifatida, superkondensator sifatida ishlatilishi mumkin va qo'shimcha ravishda ular quyosh batareyalarida - bo'yoqlarda, shuningdek, kremniy p- bo'lgan hetero-birikmalarda samarali elementlardir. qatlam bir devorli nanotubalar bilan almashtirildi. Bundan tashqari, uglerod nanonaychalaridan ancha keng spektrli turli xil gaz va optik sensorlarni yasash mumkin. Uglerod nanotubalaridan shaffof elektrodlar va tranzistorlar sifatida foydalanish mumkin. Men bu haqda biroz batafsilroq gaplashmoqchiman, lekin keyinroq.

Men uglerod nanotubalarining o'tkazuvchanligi haqida gapirmoqchiman. Aytganimdek, bitta devorli uglerod nanotubalari ham yaxshi metall o'tkazgich, ham ajoyib yarim o'tkazgichdir. O'tkazuvchanlik turi simmetriya guruhi bilan belgilanadi. Agar biz xirallik indekslarini bilsak, u holda biz uglerod nanotubkasining metall xususiyatlarini taxmin qilishimiz mumkin. Agar bu indekslar orasidagi farq 0 yoki 3 ga karrali bo'lsa, biz metall xususiyatlarga ega bo'lgan uglerod nanotubalarini olamiz, qolgan barcha nanotubalar esa yarim o'tkazgich bo'ladi. Shubhasiz, uglerod nanotubalarining 1/3 qismi metall, 2/3 qismi esa yarim o'tkazgichdir. Afsuski, hozirda mavjud usullarning hech biri ma'lum bir xirallik bilan uglerod nanotubalarini sintez qilish imkonini bermaydi. Chirallik haqida nima deyish mumkin - ma'lum bir metalllik bilan ham uglerod nanotubalarini olish mumkin emas.

Uglerodni atomizatsiya qilish usullariga ko'ra, uglerod nanotubalarini sintez qilishning barcha usullarini fizik va kimyoviy usullarga bo'lish mumkin. Jismoniy usul uglerodning bug'lanishi va sublimatsiyasiga asoslangan. Biz bilamizki, grafit juda past bug' bosimiga ega, shuning uchun grafitni bug'lash uchun uni 3000 Kelvin dan yuqori haroratgacha qizdirish kerak. Buning uchun quyosh energiyasi, induksion isitish, lazer ablasyonu yoki elektr yoyi zaryadsizlanishi ishlatilishi mumkin. Ushbu usul uglerod nanotubelarini tadqiq qilishning dastlabki kunlarida juda mashhur edi, ammo, afsuski, yuqori haroratlar hosil bo'lgan materialning xususiyatlarini nazorat qilishga imkon bermaydi. Shu bois so‘nggi yillarda bir devorli uglerod nanotubalarini – aniqrog‘i, ularni ishlab chiqarish usullarini – kimyoviy usullar bilan o‘rganish tendentsiyasi kuzatilmoqda. Bu usul uglerod birikmalarining parchalanishiga asoslangan - bu uglevodorodlar, spirtlar, ketonlar, har qanday organik, uglerod oksidi bo'lishi mumkin.

O'z navbatida, kimyoviy usullarni substratlarda va gaz fazasida uglerod nanotubalari sinteziga ajratgan bo'lardim. Substratlarda uglerod nanotubalarini sintez qilish eng keng tarqalgan usuldir. Bu sizga uglerod nanotubalarini olish imkonini beradi: siz inert substratni olishingiz, uning ustida katalizator nanozarrachalarini hosil qilishingiz, bunday substratni ma'lum vaqt (odatda 5, 10, 20 yoki 30 daqiqa) reaktorga joylashtirishingiz va keyin olingan tasvirlardan zavqlanishingiz mumkin. elektron mikroskopda substratingizda. Boshqa tomondan, aerozol usuli substratdan foydalanishga asoslanmagan va uglerod nanotuba hosil bo'lishining barcha jarayonlari gaz fazasida sodir bo'ladi. Bu erda jiddiy vaqt chegarasi mavjud, chunki reaktorga bug'ning kirishi va chiqishi o'rtasida taxminan 10-12 soniya o'tadi. Bu vaqt ichida hamma narsa sodir bo'lishi kerak: katalizator prekursorining parchalanishi (odatda bunday usullarda temir pentakarbonil yoki ferrotsen ishlatiladi), so'ngra nanometr o'lchamdagi katalitik zarrachalar, 1 dan 5 nanometrgacha, uglerodning parchalanishi yoki parchalanishi. katalizator yuzasida komponentlar va uglerod nanotube o'sishi. Hammasi 12 soniya davom etadi.

Uglerod nanotubalarini o'rganish uchun aerozol usuli birinchi marta 1999 yilda Xyuston universitetida taklif qilingan. Shuningdek, uglerod nanotubalarini aerozol usulida sintez qilishda taxminan 13 yil davomida ishtirok etdim. Menimcha, bu usul hammadan istiqbolli, chunki u foydalanilmagan katalitik zarrachalarsiz, amorf uglerodsiz yuqori sifatli uglerod nanotubalarini, ya’ni reaktordan chiqqanda keng foydalanishga tayyor mahsulot olish imkonini beradi. Reaktordan keyin uglerod nanotubalari filtrga joylashtiriladi. Keyin ular boshqa har qanday substratga o'tkazilishi mumkin. Bu jarayon tom ma'noda bir necha soniya davom etadi, lekin juda tez yuqori sifatli shaffof elektrodlarni olish imkonini beradi.

Bizning ishimizda uglerod nanotubalarini filtrlardan tortib elektronikaga qadar ko'p sohalarda qo'lladik. Men bir nechta misollar keltiraman. Aerozol filtrlari. Uglerod nanotubalari plyonkasi orqali biz qutulmoqchi bo'lgan aerozol zarralarini o'z ichiga olgan gaz oqimi qarshilik yaratmasdan juda oson o'tadi. Bundan tashqari, nanoporlar deyarli barcha ob'ektlarni filtrlash imkonini beradi. Biz bunday filtrning xususiyatlarini o'lchadik va bitta devorli uglerod nanotubalaridan tayyorlangan filtrlarning sifat koeffitsienti bozorda mavjud bo'lgan analoglardan ko'ra kattaroq tartib ekanligini aniqladik. Bundan tashqari, biz elektrokimyoviy sensorlar sifatida uglerod nanotubalaridan foydalandik - standart dopamin sinovlari bizga juda keng diapazonda 100 millinanomoldan kam sezgirlik darajasini aniqlashga imkon berdi - kontsentratsiyada taxminan 4 daraja. Uglerod nanotube plyonkasi 200 femtosekundlik impulslarni olish imkonini beruvchi ajoyib lazer absorberdir. Bundan tashqari, uglerod nanotubalari oqim o'lchagich, havo isitgichi, cho'g'lanma chiroq va boshqa qurilmalar sifatida ishlatilishi mumkin. Biz, shuningdek, erkin osilgan uglerod nanotubalari yordamida termoakustik karnay yaratdik. Bundan tashqari, shaffof elektrodlar ajoyib xususiyatlarga ega, ular yaqinda bozorda paydo bo'lishiga ishonaman, chunki bir devorli uglerod nanotubalari asosidagi shaffof elektrodlar qalay bilan qo'shilgan indiy oksidi bilan taqqoslanadigan ajoyib xususiyatlarga ega.

Bir devorli uglerod nanotubalari elektronikada shaffof elektrodlar sifatida ishlatilishi mumkin va bo'lishi mumkin. Ingliz tilida u deyiladi ITO almashtirish- qalay qo'shilgan indiy oksidini almashtirish, bu mobil telefonlar va gadjetlarning 75 foizida qo'llaniladigan materialdir. Ma'lumki, indiy noyob tuproq materialidir, bundan tashqari, qalay qo'shilgan indiy oksidi juda mo'rt material bo'lib, uni moslashuvchan va shaffof elektronika uchun ishlatib bo'lmaydi, bir devorli uglerod nanotubalari, aniqrog'i ulardan yasalgan plyonkalar. sirt qarshiligi deyarli o'zgarmagan holda bir necha o'n minglab marta egilishi mumkin. Bundan tashqari, yupqa plyonkali dala effektli tranzistorlar bizning materialimizdan tayyorlanishi mumkin, ular an'anaviy kremniy texnologiyalari darajasida ajoyib xususiyatlarga ega va ba'zan hatto ulardan oshib ketadigan oqim nisbati 106 va 108 va sekundiga bir volt uchun 1000 yoki undan ortiq kvadrat santimetrga teng zaryad tashuvchining harakatchanligi.

Uglerod nanotubalarini sintez qilish va filtrga yotqizilgan plyonkalarni tayyorlash uchun aerozol usuli moslashuvchan va shaffof elektronika uchun komponentlarni tayyorlash uchun noyob imkoniyatdir. Cho'kma xona haroratida sodir bo'ladi, bu texnologiya vakuumni talab qilmaydi, u juda tez va arzon. Bizning maqsadimiz - moslashuvchan va shaffof elektronikada foydalanish uchun rulon texnologiyasidan foydalanish imkoniyati bilan uglerod nanotubalarini keng ko'lamli ishlab chiqarishni yaratish.

Uglerod nanotubalari ko'plab olimlar orzu qiladigan materialdir. Yuqori quvvat omili, mukammal issiqlik va elektr o'tkazuvchanligi, olovga chidamliligi va og'irlik omili ko'pchilik ma'lum bo'lgan materiallarga qaraganda kattaroq tartibdir. Uglerod nanotubalari kolba ichiga o'ralgan grafen varag'idir. Rossiyalik olimlar Konstantin Novoselov va Andrey Geym uning kashfiyoti uchun 2010 yilda Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan.

Sovet olimlari birinchi marta 1952 yilda temir katalizatori yuzasida uglerod naychalarini kuzatishi mumkin edi. Biroq, olimlar nanotubalarni istiqbolli va foydali material sifatida ko'rishlari uchun ellik yil kerak bo'ldi. Ushbu nanotubalarning ajoyib xususiyatlaridan biri shundaki, ularning xususiyatlari geometriya bilan belgilanadi. Shunday qilib, ularning elektr xossalari burilish burchagiga bog'liq - nanotubalar yarim o'tkazgich va metall o'tkazuvchanligini namoyish qilishi mumkin.

Bugungi kunda nanotexnologiyaning ko'plab istiqbolli yo'nalishlari uglerod nanotubalari bilan bog'liq. Oddiy qilib aytganda, uglerod nanotubalari faqat uglerod atomlaridan iborat ulkan molekulalar yoki ramka tuzilmalaridir. Agar grafen naychaga o'ralayotganini tasavvur qilsak, bunday nanotubeni tasavvur qilish oson - bu grafitning molekulyar qatlamlaridan biridir. Nanotubkalarni katlama usuli asosan ma'lum materialning yakuniy xususiyatlarini aniqlaydi.

Tabiiyki, hech kim nanotubalarni grafit varag'idan maxsus aylantirib yaratmaydi. Nanotubalar o'z-o'zidan, masalan, uglerod elektrodlari yuzasida yoki ular o'rtasida yoy oqimi paytida hosil bo'ladi. Oqim paytida uglerod atomlari sirtdan bug'lanadi va bir-biri bilan birlashadi. Natijada, har xil turdagi nanotubalar hosil bo'ladi - ko'p qatlamli, bir qatlamli va turli burilish burchaklariga ega.

Nanotubalarning asosiy tasnifi ularni tashkil etuvchi qatlamlar soniga asoslanadi:

  • Bir devorli nanotubalar eng oddiy nanotubalardir. Ularning ko'pchiligi uzunligi minglab marta uzunroq bo'lishi mumkin bo'lgan 1 nm tartibli diametrga ega;
  • grafenning bir necha qatlamlaridan tashkil topgan ko'p qatlamli nanotubalar naycha shaklida katlanadi. Qatlamlar orasida 0,34 nm masofa hosil bo'ladi, ya'ni grafit kristalidagi qatlamlar orasidagi masofa bilan bir xil.
Qurilma

Nanotubalar uglerodning kengaytirilgan silindrsimon tuzilmalari bo'lib, uzunligi bir necha santimetrgacha va diametri birdan bir necha o'nlab nanometrgacha bo'lishi mumkin. Shu bilan birga, bugungi kunda ularni cheksiz uzunlikdagi iplarga to'qish imkonini beruvchi texnologiyalar mavjud. Ular kolba ichiga o'ralgan bir yoki bir nechta grafen tekisliklaridan iborat bo'lishi mumkin, ular odatda yarim sharsimon bosh bilan tugaydi.

Nanotubalarning diametri bir necha nanometr, ya'ni metrning bir necha milliarddan bir qismidir. Uglerod nanotubalarining devorlari uchlarida uglerod atomlari joylashgan olti burchakli burchaklardan iborat. Quvurlar boshqa turdagi tuzilishga ega bo'lishi mumkin, bu ularning mexanik, elektron va kimyoviy xususiyatlariga ta'sir qiladi. Bir qatlamli quvurlar kamroq nuqsonlarga ega, shu bilan birga, inert atmosferada yuqori haroratda tavlangandan so'ng, nuqsonsiz quvurlarni ham olish mumkin. Ko'p devorli nanotubalar standart bir devorli nanotubalardan ancha kengroq turli xil konfiguratsiya va shakllarda farq qiladi.

Uglerod nanotubalarini ko'p usullar bilan sintez qilish mumkin, ammo eng keng tarqalganlari:
  • kamon zaryadsizlanishi. Usul geliy atmosferasida yonib ketadigan yoy oqimi plazmasida fullerenlarni ishlab chiqarish uchun texnologik qurilmalarda nanotubalarni ishlab chiqarishni ta'minlaydi. Ammo bu erda kamonning boshqa usullari qo'llaniladi: yuqori geliy bosimi va past oqim zichligi, shuningdek, katta diametrli katodlar. Katod konida uzunligi 40 mkm gacha bo'lgan nanotubalar mavjud bo'lib, ular katoddan perpendikulyar ravishda o'sib, silindrsimon to'plamlarga birlashadi.
  • Lazerli ablasyon usuli . Usul grafit nishonining maxsus yuqori haroratli reaktorda bug'lanishiga asoslangan. Nanotubalar reaktorning sovutilgan yuzasida grafit bug'lanish kondensati shaklida hosil bo'ladi. Bu usul asosan harorat yordamida boshqariladigan kerakli diametrli bir devorli nanotubalarni olish imkonini beradi. Ammo bu usul boshqalarga qaraganda ancha qimmat.
  • Kimyoviy bug'larning cho'kishi . Bu usul temir, kobalt, nikel zarralari yoki ularning birikmalari bo'lishi mumkin bo'lgan katalizator qatlami bilan substratni tayyorlashni o'z ichiga oladi. Shu tarzda o'stirilgan nanotubalarning diametri ishlatiladigan zarrachalarning o'lchamiga bog'liq bo'ladi. Substrat 700 darajaga qadar qiziydi. Nanotubalarning o'sishini boshlash uchun reaktorga uglerod o'z ichiga olgan gaz va texnologik gaz (vodorod, azot yoki ammiak) kiritiladi. Nanotubalar metall katalizator joylarida o'sadi.
Ilovalar va xususiyatlar
  • Fotonika va optikada qo'llanilishi . Nanotubalarning diametrini tanlash orqali katta spektral diapazonda optik yutilishni ta'minlash mumkin. Bir devorli uglerod nanotubalari to'yingan yutilishning kuchli chiziqli bo'lmaganligini ko'rsatadi, ya'ni ular etarlicha kuchli yorug'likda shaffof bo'ladi. Shuning uchun ular fotonika sohasidagi turli ilovalar uchun, masalan, marshrutizatorlar va kalitlarda, ultra qisqa lazer impulslarini yaratish va optik signallarni qayta tiklash uchun ishlatilishi mumkin.
  • Elektronikada qo'llanilishi . Ayni paytda elektronikada nanotubalardan foydalanishning ko'plab usullari e'lon qilingan, ammo ularning faqat kichik bir qismini amalga oshirish mumkin. Issiqlikka chidamli interfaal material sifatida shaffof o'tkazgichlarda nanotubalardan foydalanish katta qiziqish uyg'otadi.

Nanotubalarni elektronikaga joriy etishga urinishlarning dolzarbligi yuqori quvvatli tranzistorlar, grafik protsessorlar va markaziy protsessorlarda qo'llaniladigan issiqlik qabul qiluvchilarda indiyni almashtirish zarurati bilan bog'liq, chunki bu materialning zaxiralari kamayib, narxi oshib bormoqda. .

  • Sensorlarni yaratish . Datchiklar uchun uglerod nanotubalari eng qiziqarli echimlardan biridir. Bir devorli nanotubalardan tayyorlangan ultra yupqa plyonkalar hozirgi vaqtda elektron sensorlar uchun eng yaxshi asos bo'lishi mumkin. Ular turli usullar yordamida ishlab chiqarilishi mumkin.
  • Biochiplar, biosensorlarni yaratish , biotexnologiya sanoatida dori vositalarini maqsadli yetkazib berish va harakatini nazorat qilish. Ayni paytda bu boradagi ishlar izchil davom ettirilmoqda. Nanotexnologiyalar yordamida amalga oshirilgan yuqori o'tkazuvchanlik tahlili texnologiyani bozorga chiqarish vaqtini sezilarli darajada qisqartiradi.
  • Bugungi kunda jadal rivojlanmoqda nanokompozitlar ishlab chiqarish , asosan polimerik. Ularga oz miqdorda uglerod nanotubalari ham kiritilganda polimerlar xossalarining sezilarli o'zgarishi ta'minlanadi. Shunday qilib, ular issiqlik va kimyoviy qarshilikni, issiqlik o'tkazuvchanligini, elektr o'tkazuvchanligini oshiradi, mexanik xususiyatlarni yaxshilaydi. O'nlab materiallar ularga uglerod nanotubalarini qo'shish orqali yaxshilandi;

— nanotubali polimerlar asosidagi kompozit tolalar;
— qo'shimchalar bilan seramika kompozitlari. Keramikaning yorilishga chidamliligi oshadi, elektromagnit nurlanishdan himoyalanish paydo bo'ladi, elektr va issiqlik o'tkazuvchanligi oshadi;
- nanotubali beton - navi, mustahkamligi, yorilishga chidamliligi oshadi, qisqarishi kamayadi;
- metall kompozitsiyalar. Ayniqsa, mexanik xossalari oddiy misdan bir necha barobar yuqori bo'lgan mis kompozitlari;
- bir vaqtning o'zida uchta komponentni o'z ichiga olgan gibrid kompozitlar: noorganik yoki polimer tolalar (matolar), bog'lovchi va nanotubalar.

Afzalliklari va kamchiliklari
Uglerod nanotubalarining afzalliklari orasida:
  • Energiya samaradorligi yechimlari, fotonik, elektronika va boshqa ilovalar sohasida qo'llanilishi mumkin bo'lgan ko'plab noyob va haqiqatan ham foydali xususiyatlar.
  • Bu yuqori quvvat omili, mukammal issiqlik va elektr o'tkazuvchanligi va yong'inga chidamliligiga ega nanomaterialdir.
  • Boshqa materiallarning xususiyatlarini ularga oz miqdorda uglerod nanotubalarini kiritish orqali yaxshilash.
  • Ochiq uchli uglerod nanotubalari kapillyar ta'sir ko'rsatadi, ya'ni ular erigan metallar va boshqa suyuqliklarni tortib olishlari mumkin;
  • Nanotubalar qattiq va molekulalarning xususiyatlarini birlashtiradi, bu esa muhim istiqbollarni ochadi.
Uglerod nanotubalarining kamchiliklari orasida:
  • Uglerod nanotubalari hozirda sanoat miqyosida ishlab chiqarilmaydi, shuning uchun ulardan tijorat maqsadlarida foydalanish cheklangan.
  • Uglerod nanotubalarini ishlab chiqarish narxi yuqori, bu ham ularni qo'llashni cheklaydi. Biroq, olimlar ularni ishlab chiqarish tannarxini pasaytirish uchun ko'p harakat qilmoqdalar.
  • Aniq ko'rsatilgan xususiyatlarga ega uglerod nanotubalarini yaratish uchun ishlab chiqarish texnologiyalarini takomillashtirish zarurati.
istiqbollari
Yaqin kelajakda uglerod nanotubalari hamma joyda qo'llaniladi, ular yaratish uchun ishlatiladi:
  • Nanobalanslar, kompozit materiallar, og'ir iplar.
  • Yoqilg'i xujayralari, shaffof o'tkazuvchan yuzalar, nanosimlar, tranzistorlar.
  • Neyrokompyuterning so'nggi ishlanmalari.
  • Displeylar, LEDlar.
  • Metall va gazlarni saqlash uchun asboblar, faol molekulalar uchun kapsulalar, nanopipetler.
  • Dori-darmonlarni etkazib berish va operatsiyalar uchun tibbiy nanorobotlar.
  • Ultra yuqori sezuvchanlikka ega miniatyura datchiklari. Bunday nanosensorlar biotexnologik, tibbiy va harbiy sohalarda qo'llanilishi mumkin.
  • Kosmik lift uchun kabel.
  • Yassi shaffof dinamiklar.
  • sun'iy mushaklar. Kelajakda kiborglar, robotlar paydo bo'ladi, nogironlar to'liq hayotga qaytadi.
  • Dvigatellar va quvvat generatorlari.
  • Aqlli, engil va qulay kiyim har qanday qiyinchiliklardan himoya qiladi.
  • Tez zaryadlanuvchi xavfsiz superkondansatkichlar.

Bularning barchasi kelajakda, chunki uglerod nanotubalarini yaratish va ulardan foydalanish bo'yicha sanoat texnologiyalari rivojlanishning dastlabki bosqichida va ularning narxi juda qimmat. Ammo rus olimlari allaqachon ushbu materialni yaratish xarajatlarini ikki yuz barobar kamaytirish yo'lini topganliklarini e'lon qilishdi. Uglerod nanotubalarini ishlab chiqarishning ushbu noyob texnologiyasi hozirda sir saqlanmoqda, ammo u sanoat va boshqa ko'plab sohalarda inqilob qilishi kerak.

Uglerod nanotubalari sanoat va materialshunoslikning yangi sohasini yaratadi

"Nano" toifasidagi moddalar, ya'ni zarralari 100 nm dan kam bo'lgan moddalar bugungi kunda texnik uglerod (soot) va silikagel ("oq kuyik") bilan ifodalanadi. Boshqa nanomateriallarni ishlab chiqarish hajmi nisbatan pastroq. Ammo hozir vaziyat o'zgarmoqda, uglerod nanotubalari bozorga kirdi. uglerod nanotubalari- bu kolba ichiga o'ralgan bir yoki bir nechta olti burchakli (geometrik jihatdan asal chuquriga o'xshash) grafit tekisliklaridan iborat kengaytirilgan silindrsimon tuzilmalar.

Uglerod mikronaychalari 19-asrning oxirida patentlangan va nanotubalar birinchi boʻlib 1950-yillarda Moskva fizik-kimyo institutida, soʻngra 1970-yillarda Yaponiyada olingan va nihoyat 1991-yilda Yaponiyada “kashf etilgan”. O'shandan beri quvurlarga qiziqish doimiy ravishda o'sib bordi.

Nanotubalarning talab qilinadigan xususiyatlar to'plami bo'yicha o'xshashlari yo'q

  • Nanotubalardagi uglerod atomlarining bir-biri bilan bog'lanishi rekord kuchga ega. Nanotubalarning Young moduli (moddaning kuchlanish yoki siqilishga chidamliligini tavsiflovchi bosim o'lchami) 1 TPa dan ortiq (taxminan 1 million atmosfera - olmosnikidan yuqori). Nanotubalarning issiqlik o'tkazuvchanligi misnikidan sakkiz baravar yuqori va elektr o'tkazuvchanligi Ohm qonuniga bo'ysunmaydi. Quvurlardagi oqim zichligi mis simning portlashi zichligidan ming marta ko'p bo'lishi mumkin.

Nanotubalarning jahon ishlab chiqarishi yiliga 1000 tonnadan oshdi. Uglerodli nanonaychalardan tayyorlangan yoki tarkibida uglerod nanotubalari bo‘lgan materiallardan foydalanish iqtisodiyotning jahon moliyaviy inqirozidan ta’sirlanmagan yangi tarmog‘iga aylandi.

  • 2010 yilda nanotubalarga bo'lgan global talab 10 000 tonnaga baholanmoqda. Ular 40 dan ortiq kompaniya tomonidan ishlab chiqariladi. nemis Bayer 2012 yilga kelib ishlab chiqarish quvvatini 3000 t/y ga oshirishni rejalashtirmoqda, frantsuzlar Arkema yillik quvvati 400 tonna bo'lgan zavodga ega, Xitoy CNano - 500 t/g va Belgiya Nanotsil - 400 t/g. 500 t/y gacha yapon uglerod nanotolalarini ishlab chiqarishni oshiradi Showa Denko .
  • Nanostrukturali materiallar ikkita katta guruhga bo'lingan. Birining materiallari 95-100% nanotubalardan iborat. Ikkinchisining materiallari - nanokompozitlar - aksincha, bir nechta nanotubalarni o'z ichiga oladi, 5% gacha.

Nanotube materiallari

Nanotubalarning shakli ularni ikki xil tarzda joylashtirish imkonini beradi: tasodifiy yoki tartibli, bu materiallarning xususiyatlariga ta'sir qiladi. Nanotubalarni ularga turli xil kimyoviy guruhlar va nanozarrachalarni biriktirish orqali o'zgartirish mumkin. Bundan tashqari, nanotubalarning o'zi va materiallarining xususiyatlarini o'zgartiradi.

  • Birinchi guruh materiallariga nanotubalarning "monolitik" tuzilmalari kiradi; quvurlardan qoplamalar, plyonkalar va nanoqog'oz; quvur tolalari; "o'rmon" - bir-biriga parallel va substratga perpendikulyar joylashtirilgan nanotubalar. "Monolit" materiallar keng qo'llanilmaydi.

O'ralgan uzun nanotubalardan tsiklik yuklar va -140 dan +900 ° C gacha bo'lgan haroratlarda yo'q qilishga chidamli "rezina" ajratildi. Uning ishlashi eng yaxshi viskoelastik material deb hisoblangan silikon kauchukdan ancha ustundir.

  • Qoplamalar, plyonkalar va nanoqog'oz quvurlarni sintez qilish jarayonida yoki ularning dispersiyasidan (kolloid eritmalar) olinadi. Birinchi guruh usullari yuqori haroratli, ikkinchisi isitishni talab qilmaydi. Quvurlardan olingan eng oddiy makromaterial nanoqog'oz qalinligi 10-30 nm bo'lib, dispersiyalarni filtrlash yo'li bilan ishlab chiqariladi.

.

Kompaniya Nanocomp Technologies (AQSh) taxminan 3 m2 maydonli nanoqog'oz varaqlarini sotadi va quvvati 4–6 t/y bo'lgan ishlab chiqarish korxonasini tashkil etishni rejalashtirmoqda. Nanoqog'oz rulonlarini olish usullari amalga oshirildi.

  • Filtrlar nanoqog'ozdan (shu jumladan viruslarni yo'qotish yoki suvni tuzsizlantirish uchun), elektromagnit nurlanishdan himoya qilish, isitgich qismlari, sensorlar, aktuatorlar, maydon emitentlari, elektrokimyoviy qurilmalar elektrodlari, katalizator tashuvchilar va boshqalardan tayyorlanadi.

Shaffof o'tkazuvchan plyonkalar va qoplamalar indiy va qalay oksidlarining qattiq eritmasi bilan raqobatlashadi va bu qimmat va mo'rt materialni elektronika, sensorlar va fotovoltaikalarda almashtirishi mumkin.

  • Amerika kompaniyasi Eikos ishlab chiqdi va 2005 yildan buyon kompozitsiyani yetkazib bermoqda Invisicon siyoh nanotubalarning yupqa plyonkalarini substratlarga joylashtirish uchun.

Uglerod nanotube tolalari foydali yuklarni Yer orbitasiga tejamkor ko'tarish uchun ideal "kosmik lift" bog'lovchi material bo'lib tuyuldi. Biroq, nanotubalarning xususiyatlarini makromateriallarga o'tkazish oddiy vazifadan uzoq bo'lib chiqdi.

  • Elyaflar turli yo'llar bilan olinadi. "Quruq" usullarga uglevodorodlarning pirolizi paytida hosil bo'lgan aerojeldan hosil bo'lish va "yog'och" dan yigiruv kiradi.

Aerojeldan tolalarni tortib olish va burish texnologiyasi - "yumshoq tutun" - yilda ishlab chiqilgan Kembrij universiteti . Uglevodorod reaksiya zonasiga yuqori haroratda beriladi, undan aerojel hosil bo'ladi (ya'ni suyuqlik fazasi to'liq gazsimon bilan almashtirilgan jel). Undan, qadimgi kunlarda bo'lgani kabi, tola yigiriladi. Isroilda kompaniya 2010 yilda Kembrij nanotubalarini o'z ichiga olgan gibrid kompozitlardan tana zirhlari va himoya qoplamalarini ishlab chiqarish uchun tashkil etilgan.

  • “O‘rmon”dan yigiruv ipak qurti pillasidan ipak ip olish bilan barobar.

.

Elyaf ishlab chiqarish uchun eritma usullari dispersiyalarni suyuqlik oqimiga ekstruziya qilish yoki superkislotalar (oltingugurtdan kuchli kislotalar)dagi kolloid eritmalardan tortib olishdir.

  • Kompaniya Nanocomp Technologies uzunligi 10 km gacha bo'lgan kuchli tolalar yetkazib berilishini e'lon qildi, ularni ishlab chiqarish uchun uzun nanotubalar ishlatiladi. O'ralgan iplar 3 GPa quvvatga ega va ba'zi jihatlari bilan allaqachon Kevlardan ustundir.

Xususiyatlari majmui bo'yicha "O'rmon" o'xshashi yo'q - bu elastik, elektr va issiqlik o'tkazuvchan material bo'lib, turli shakllarni olishi va o'zgartirilishi mumkin. 2004 yilda yuqori samarali "o'rmon" supero'sish jarayoni tasvirlangan: uzunligi 15-18 mm gacha bo'lgan juda toza uglerod nanotubalarini olish, bu ularning narxini sezilarli darajada kamaytiradi.

  • Yaponiya supero'sish jarayoni asosida ishlab chiqarishni boshlashga tayyorlanmoqda. Uning quvvati atigi 600 g/soat bir devorli nanotubalarni tashkil etadi, biroq tez orada uni 10 t/g gacha oshirish rejalashtirilgan.

"O'rmon" polimer asosidagi kompozitlarning tarkibiy qismi sifatida superkondensatorlar, dala emitentlari va quyosh batareyalari uchun elektrodlarni yaratish uchun ishlatilishi mumkin. Substrat yuzasida "o'rmon" ni yotqizish orqali zich lentalar olindi. Maxsus elektr o'tkazuvchanligi bo'yicha ular metallardan oshib ketishi mumkin va aviatsiya sanoatida qo'llanilishi mumkin.

  • Parallel nanotubalardan yasalgan sun'iy mushak tasmasi 80 dan 1900 K gacha bo'lgan haroratlarda ishlaydi va elektr potentsiali qo'llanilganda juda yuqori cho'zilishni ta'minlaydi. Bunday elektr energiyasini mexanik energiyaga aylantiruvchilar pyezokristallarga qaraganda ancha samaralidir.

Nanotubalar aralashmasi bo'lgan materiallar

Ikkinchi guruh materiallari – nanokompozitlar, asosan polimerlar ishlab chiqarish keskin o‘sib bormoqda.

  • Hatto kichik miqdordagi uglerod nanonaychalarining kiritilishi polimerlarning xususiyatlarini sezilarli darajada o'zgartiradi, elektr o'tkazuvchanligini beradi, issiqlik o'tkazuvchanligini oshiradi, mexanik xususiyatlarni, kimyoviy va issiqlik barqarorligini yaxshilaydi. Oʻnlab turli polimerlar asosida nanokompozitlar yaratildi, ularni tayyorlashning koʻplab usullari ishlab chiqildi.

Nanotubali polimerlar asosida yaratilgan kompozit tolalardan keng foydalanish mumkin.

  • Kompaniyaning deyarli barchasi Bayer polimer kompozitlari uchun nanotubalardan foydalaniladi. Kompaniya Arkema termoplastik kompozitlar uchun o'zining nanotubalarini yetkazib beradi va Nanotsil - termoshrink polimerlar va uglerod tolali prepreglar uchun (prepreglar keyingi qayta ishlash uchun yarim tayyor kompozit materiallar).

Amerika kompaniyasi Hyperion Catalysis Int. , nanotubalarni sanoat ishlab chiqarishda kashshof bo'lib, epoksi qatronlar va polimerlarga qo'shilish uchun kontsentratlar ishlab chiqaradi.

Nanotubalarning turlari

  • Seramika kompozitlari ko'plab o'tga chidamli moddalar asosida yaratilgan, ammo sanoat rivojlanishi nuqtai nazaridan ular polimerlar asosidagi nanokompozitlardan sezilarli darajada past. Polimerlarda bo'lgani kabi, oz miqdorda nanonaychalar qo'shilishi elektr va issiqlik o'tkazuvchanligini oshiradi, elektromagnit nurlanishdan himoya qilish qobiliyatini beradi va eng muhimi, keramikaning yorilishga chidamliligini oshiradi.

Betonga juda oz miqdorda nanotubalarning kiritilishi uning navini, yorilishga chidamliligini, mustahkamligini oshiradi va qisqarishni kamaytiradi.

  • Metall kompozitlar oddiy rangli metallar va qotishmalar bilan yaratiladi. Eng katta e'tibor mis kompozitlariga qaratiladi, ularning mexanik xususiyatlari misga qaraganda ikki-uch baravar yuqori. Ko'pgina birikmalar kuch va qattiqlikni oshirdi, termal kengayish va ishqalanishning past koeffitsientlariga ega.

Gibrid kompozitlar odatda uchta komponentni o'z ichiga oladi: polimer yoki noorganik tolalar (matolar), nanotubalar va bog'lovchi. Bu sinf o'z ichiga oladi prepregs .

  • Amerika kompaniyasi nanotubalar bilan prepreglar ishlab chiqarishga ixtisoslashgan Zyvex ishlash materiallari . Nanotubalar prepreglarning mustahkamligi va qattiqligini 30-50% ga oshiradi. Prepregs uchuvchisiz dengiz razvedka kemalarini yaratish uchun ishlatilgan "Piranha" .

2009 yilda Qo'shma Shtatlarda nanotubkalar bilan kompozitdan yasalgan dvigatel pardasi bo'lgan birinchi havo akrobatika samolyoti uchdi. Samolyot korpusining ba'zi elementlari F-35 kompaniyalar Martin Lokxid Bunday kompozitsiyalardan yasalgan, taxminan 100 ta yo'lovchi samolyoti Boeing 787 nanotubalar yordamida amalga oshirilishi kerak.

  • Kompaniya Nanotsil quvurlar bilan epoksi qatronlar ishlab chiqaradi Epotsil va prepreglar pregsil shisha tolalar, uglerod yoki aramid tolalari asosida. Qo'shimchalar yorilish qarshiligini 100% ga, interlaminar kesish kuchini 15% ga oshiradi va termal kengayish koeffitsientini kamaytiradi. Kompozitlardan avtomobilsozlik va aviatsiya sanoatida, o'q o'tkazmaydigan jiletlar uchun foydalanish ko'zda tutilgan. Ular shamol turbinalarining 49 metrli qanotlarining og'irligini 7,3 tonnadan 5,8 tonnagacha kamaytiradi.

Finlyandiya kompaniyasi Amroy Europe Oy nanotube ishlab chiqarishdan foydalanish Bayer , epoksi konsentratini chiqaradi Gibtonit dengiz kemalari, shamol turbinalari, sport anjomlari va boshqalar uchun.

  • Prepregs Kanada uchun Nanoedj kompaniyaning quvurlaridan foydalanadi Bayer , lekin Nanocomp Technologies katta maydonli varaqlar va nanoqog'oz rulolarini ishlab chiqaradi.

Gibrid kompozitlar zarar sensori xususiyatlarini ko'rsatishi mumkin.

  • Turli matritsalar bilan biokompozitlar ham yaratilgan. Suyak implantlari uchun materiallar, mushak va suyak to'qimalarini o'stirish uchun plyonkalar, ko'zning retinal va epitelial hujayralari, neyronlar tarmoqlari, shuningdek, biofunktsional kompozitlar va biosensorlar o'rganilmoqda.

Misollar nanotubkalar bilan materiallarning xilma-xilligi va xususiyatlarini to'liq tugatmaydi. Ularni qo'llash sohalari kengayib bormoqda, ular nanostrukturali materialshunoslikning rivojlanish darajasini, alohida mamlakatlarda fan va texnikaning umumiy holatini aniqlay boshladilar.

Eduard Rakov, kimyo fanlari doktori, Rossiya kimyo-texnika universiteti nanotexnologiya va nanomateriallar kafedrasi mudiri. DI. Mendeleev