Nanotuburile de carbon sunt un material la care visează mulți oameni de știință. Coeficientul de rezistență ridicat, conductivitate termică și electrică excelentă, rezistența la foc și coeficientul de greutate sunt cu un ordin de mărime mai mari decât majoritatea materialelor cunoscute. Nanotuburile de carbon sunt o foaie de grafen rulată într-un tub. Oamenii de știință ruși Konstantin Novoselov, precum și Andrei Geim, au primit Premiul Nobelîn anul 2010.

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. Astfel, 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 vă imaginați un astfel de nanotub dacă vă imaginați că grafenul este pliat într-un tub - acesta este unul dintre straturile moleculare de grafit. Metoda de pliere a nanotuburilor determină în mare măsură proprietățile finale ale acestui material.

Desigur, nimeni nu creează nanotuburi rulându-le special dintr-o foaie de grafit. Nanotuburile se formează, de exemplu, pe suprafața electrozilor de carbon sau între ei în timpul unei descărcări cu arc. În timpul descărcării, atomii de carbon se evaporă de la suprafață și se conectează între ei. Ca rezultat, se formează nanotuburi de diferite tipuri - cu mai mulți pereți, cu un singur perete și cu diferite unghiuri de răsucire.

Clasificarea principală a nanotuburilor se bazează pe numărul de straturi care le compun:

  • 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 sub forma unui 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 de carbon cilindrice extinse care pot avea o lungime de până la câțiva centimetri și un diametru de la unu până la câteva zeci de nanometri. În același timp, astăzi există tehnologii care fac posibilă țeserea lor în fire de lungime nelimitată. Ele pot consta din unul sau mai multe avioane de grafen rostogolite într-un tub, care de obicei se termină într-un cap emisferic.

Diametrul nanotuburilor este de câțiva nanometri, adică de câteva miliarde de metru. Pereții nanotuburilor de carbon sunt formați din hexagoane, la vârfurile cărora se află atomi de carbon. Tuburile pot avea diferite tipuri de structură, ceea ce le afectează mecanic, electronic și Proprietăți chimice. Tuburile cu un singur strat au mai puține defecte; în același timp, după recoacere la temperaturi ridicate în atmosferă inertă, este posibil să se obțină tuburi fără defecte. Nanotuburile cu pereți multipli diferă de nanotuburile standard cu un singur perete într-o varietate semnificativ mai mare de configurații și forme.

Nanotuburile de carbon pot fi sintetizate în diferite moduri, dar cele mai comune sunt:
  • Descărcarea arcului. Metoda asigură producerea de nanotuburi în instalații tehnologice pentru producerea de fulerene în plasma unei descărcări cu arc, care arde în atmosferă de heliu. Dar aici se folosesc alte moduri de ardere cu 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 de microni; acestea cresc perpendicular față de catod și sunt combinate 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. Aceasta metoda face posibilă obținerea predominant de nanotuburi cu un singur perete cu control al diametrului necesar prin temperatură. Dar această metodă este semnificativ mai scumpă decât altele.
  • Depuneri chimice de vapori . Această metodă implică prepararea unui substrat cu un strat de catalizator - acestea pot fi particule de fier, cobalt, nichel sau combinații ale acestora. Diametrul nanotuburilor crescute folosind această metodă va depinde de dimensiunea particulelor utilizate. Substratul este încălzit la 700 de grade. Pentru a iniția creșterea nanotuburilor, în reactor se introduc gaz cu conținut de carbon și gaz de proces (hidrogen, azot sau amoniac). Nanotuburile cresc pe zone de catalizatori metalici.
Aplicații și caracteristici
  • Aplicații în fotonică și optică . Prin selectarea diametrului nanotuburilor, este posibil să se asigure absorbția optică într-un interval spectral larg. Nanotuburile de carbon cu un singur perete prezintă neliniaritate puternică de absorbție saturabilă, ceea ce înseamnă că devin transparente la lumină suficient de intensă. Prin urmare, ele pot fi folosite pentru diverse aplicații din domeniul fotonicii, de exemplu, în routere și comutatoare, pentru crearea de impulsuri laser ultrascurte și regenerarea semnalelor optice.
  • Aplicație în electronică . În prezent, au fost anunțate multe metode de utilizare a nanotuburilor în electronică, dar doar o mică parte din ele poate fi realizată. Cel mai mare interes este în utilizarea nanotuburilor în conductori 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 unitățile centrale de procesare, deoarece rezervele acestui material sunt în scădere și prețul său este în creștere. .

  • Crearea senzorilor . Nanotuburile de carbon pentru senzori sunt una dintre cele mai interesante soluții. Filmele ultrasubțiri de 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 țintite și acțiunii medicamentelor în industria biotehnologiei. În acest moment se lucrează în această direcție. Analiza de mare debit efectuată folosind nanotehnologie va reduce semnificativ timpul necesar pentru a aduce o tehnologie pe piață.
  • Astăzi este în creștere bruscă producerea de nanocompozite , preponderent polimer. Când sunt introduse în ele, nici măcar cantitate mare nanotuburile de carbon oferă o schimbare semnificativă a proprietăților polimerilor. Acest lucru le crește stabilitatea termică și chimică, conductivitatea termică, conductivitatea electrică și le îmbunătățește caracteristicile mecanice. Zeci de materiale au fost îmbunătățite prin adăugarea de nanotuburi de carbon;

— 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 – crește gradul, rezistența, rezistența la fisurare, reduce contracția;
- compozite metalice. În special compozitele de cupru, care au proprietăți mecanice de câteva ori mai mare decât cea a 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 utilizate în implementarea soluțiilor eficiente din punct de vedere energetic, fotonică, electronică și alte aplicații.
  • Acesta este un nanomaterial care are un coeficient de rezistență ridicat, o 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 substanțe lichide;
  • Nanotuburile combină proprietățile solidelor și ale moleculelor, ceea ce deschide perspective semnificative.
Printre dezavantajele nanotuburilor de carbon se numără:
  • Nanotuburile de carbon nu sunt produse în prezent la scară industrială, așa că utilizarea lor în serie este limitată.
  • Costul producerii nanotuburilor de carbon este mare, 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 definite.
Perspective
În viitorul apropiat, nanotuburile de carbon vor fi folosite peste tot; vor fi folosite pentru a crea:
  • Nanoscale, materiale compozite, fire ultra-rezistente.
  • Pile de combustie, suprafete conductoare transparente, nanofire, tranzistoare.
  • Cele mai recente evoluții în domeniul neurocomputerelor.
  • Display-uri, LED-uri.
  • Dispozitive pentru depozitarea 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 s-ar putea folosi în aplicații biotehnologice, medicale și militare.
  • Cablu lift spațial.
  • Difuzoare plate transparente.
  • Mușchi artificiali. În viitor, vor exista cyborgi, roboți și persoanele cu dizabilități vor reveni la o viață plină.
  • Motoare și generatoare de energie.
  • Îmbrăcăminte inteligentă, ușoară și confortabilă, care te va proteja de orice adversitate.
  • 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 de producere a nanotuburilor de carbon este în prezent ținută secretă, dar se pregătește să revoluționeze industria și multe alte domenii.

Fulerene și nanotuburi de carbon. Proprietăți și aplicație

În 1985 Robert Curl, Harold CroteauȘi Richard Smalley complet neașteptat a descoperit un compus de carbon fundamental nou - fullerene , proprietăți unice care a stârnit un val de cercetări. În 1996, descoperitorii fulerenelor au primit Premiul Nobel.

Baza moleculei de fuleren este carbon- acesta este unic element chimic, caracterizat prin capacitatea de a se combina cu majoritatea elementelor și de a forma molecule de cea mai variată compoziție și structură. Din curs şcolar chimie, tu, desigur, știi că carbonul are două principale stări alotropice-grafit si diamant. Deci, odată cu descoperirea fullerenei, putem spune că carbonul a dobândit o altă stare alotropică.

Mai întâi, să ne uităm la structurile moleculelor de grafit, diamant și fullerenă.

Grafitare structura stratificata (Fig.8) . Fiecare strat este format din atomi de carbon legați covalent unul de celălalt în hexagoane obișnuite.

Orez. 8. Structura din grafit

Straturile adiacente sunt ținute împreună de forțele slabe van der Waals. Prin urmare, ele alunecă ușor una peste alta. Un exemplu în acest sens ar fi un simplu creion - când trageți o tijă de grafit peste hârtie, straturile se „desprind” treptat unul de celălalt, lăsând un semn pe ea.

Diamantare trei dimensiuni structură tetraedrică (Fig. 9). Fiecare atom de carbon este legat covalent de alți patru. Toți atomii din rețeaua cristalină sunt localizați la aceeași distanță (154 nm) unul de celălalt. Fiecare dintre ele este conectat cu ceilalți printr-o legătură covalentă directă și se formează în cristal, indiferent de dimensiunea acestuia, o macromoleculă gigantică.

Orez. 9. Structura de diamant

Datorită energiei ridicate a legăturilor covalente C-C, diamantul are cea mai mare rezistență și este folosit nu numai ca piatră prețioasă, ci și ca materie primă pentru fabricarea sculelor de tăiere și șlefuire a metalelor (s-ar putea ca cititorii să fi auzit despre prelucrarea diamantelor din diverse metale)

Fulereneși-au primit numele în onoarea arhitectului Buckminster Fuller, care a inventat structuri similare pentru utilizarea în construcții arhitecturale (de aceea sunt numite și buckyballs). Fullerene are o structură de cadru care amintește foarte mult de o minge de fotbal, constând din „petice” de forme cu 5 și 6 gonale. Dacă ne imaginăm că există atomi de carbon la vârfurile acestui poliedru, atunci obținem cel mai stabil fuleren C60. (Fig. 10)

Orez. 10. Structura fullerenei C 60

În molecula C60, care este cel mai cunoscut și, de asemenea, cel mai simetric reprezentant al familiei fullerene, numărul de hexagoane este de 20. Mai mult, fiecare pentagon se învecinează doar cu hexagoane, iar fiecare hexagon are trei laturi comune cu hexagoane și trei cu pentagoane. .

Structura moleculei de fuleren este interesantă prin faptul că în interiorul unei astfel de „bile” de carbon se formează o cavitate în care, datorită proprietăți capilare pot fi introduși atomi și molecule ale altor substanțe, ceea ce face posibilă, de exemplu, transportul lor în siguranță.

Pe măsură ce au fost studiate fulerenele, au fost sintetizate și studiate moleculele lor, conținând diferite numere de atomi de carbon - de la 36 la 540. (Fig. 11)


a B C)

Orez. 11. Structura fulerenelor a) 36, b) 96, c) 540

Cu toate acestea, diversitatea structurilor de cadru de carbon nu se oprește aici. În 1991, un profesor japonez Sumio Iijima a descoperit cilindri lungi de carbon numiti nanotuburi .

Nanotub este o moleculă cu mai mult de un milion de atomi de carbon, care este un tub cu un diametru de aproximativ un nanometru și o lungime de câteva zeci de microni . În pereții tubului, atomii de carbon sunt localizați la vârfurile hexagoanelor regulate.



Orez. 13 Structura unui nanotub de carbon.

A) forma generala nanotuburi

b) nanotub rupt la un capăt

Structura nanotuburilor poate fi imaginată astfel: luăm un plan de grafit, tăiem o bandă din el și o „lipim” într-un cilindru (în realitate, desigur, nanotuburile cresc într-un mod complet diferit). S-ar părea că ar putea fi mai simplu - iei un avion din grafit și îl rostogolești într-un cilindru! – cu toate acestea, înainte de descoperirea experimentală a nanotuburilor, niciunul dintre teoreticieni nu le-a prezis. Așa că oamenii de știință nu puteau decât să le studieze și să fie surprinși.

Și era ceva de surprins - la urma urmei, aceste nanotuburi uimitoare cântăresc 100 de mii.

de ori mai subțire decât un păr uman s-a dovedit a fi un material extrem de durabil. Nanotuburile sunt de 50-100 de ori mai puternice decât oțelul și au o densitate de șase ori mai mică! modulul Young - Nivelul de rezistență al materialului la deformare este de două ori mai mare pentru nanotuburi decât pentru fibrele de carbon convenționale. Adică, tuburile nu sunt doar puternice, ci și flexibile, iar comportamentul lor seamănă nu cu paiele casante, ci cu tuburi de cauciuc dur. Sub influența tensiunilor mecanice care le depășesc pe cele critice, nanotuburile se comportă destul de extravagant: nu se „rup, nu se „rup”, ci pur și simplu se rearanjează!

În prezent, lungimea maximă a nanotuburilor este de zeci și sute de microni - care, desigur, este foarte mare la scară atomică, dar prea scurtă pentru utilizarea de zi cu zi. Cu toate acestea, lungimea nanotuburilor rezultate crește treptat - acum oamenii de știință s-au apropiat deja de marcajul centimetrului. S-au obținut nanotuburi multipereți de 4 mm lungime.

Nanotuburile vin într-o varietate de forme: cu un singur perete și cu mai mulți pereți, drepte și în spirală. În plus, ele demonstrează o întreagă gamă de proprietăți electrice, magnetice și optice cele mai neașteptate.

De exemplu, în funcție de modelul de pliere specific al planului de grafit ( chiralitate), nanotuburile pot fi atât conductori, cât și semiconductori de electricitate. Proprietățile electronice ale nanotuburilor pot fi modificate intenționat prin introducerea atomilor altor substanțe în interiorul tuburilor.

Golurile din interiorul fulerenelor și nanotuburilor au atras atenția de mult timp.

oameni de știință. Experimentele au arătat că, dacă un atom al unei substanțe este introdus în interiorul unei fulerene (acest proces se numește „intercalare”, adică „încorporare”), aceasta poate schimba proprietățile electrice și chiar poate transforma un izolator într-un supraconductor!

Este posibil să se schimbe proprietățile nanotuburilor în același mod? Se dovedește că da. Oamenii de știință au reușit să plaseze în interiorul unui nanotub un întreg lanț de fulerene cu atomi de gadoliniu deja încorporați în ele. Proprietățile electrice ale unei astfel de structuri neobișnuite au fost foarte diferite atât de proprietățile unui nanotub simplu, gol, cât și de proprietățile unui nanotub cu fulerene goale în interior. Este interesant de observat că au fost dezvoltate simboluri chimice speciale pentru astfel de compuși. Structura descrisă mai sus este scrisă ca Gd@C60@SWNT, ceea ce înseamnă „Gd în interiorul C60 în interiorul unui NanoTube Single Wall”.

Firele pentru macrodispozitive bazate pe nanotuburi pot trece curentul practic fără a genera căldură, iar curentul poate atinge o valoare uriașă - 10 7 A/cm2 . Un dirijor clasic la astfel de valori s-ar evapora instantaneu.

Au fost dezvoltate și mai multe aplicații ale nanotuburilor în industria computerelor. Deja în 2006 vor apărea monitoare de emisie cu ecrane plate care funcționează pe o matrice de nanotuburi. Sub influența unei tensiuni aplicate la un capăt al nanotubului, celălalt capăt începe să emită electroni, care lovesc ecranul fosforescent și fac pixelul să strălucească. Granulația rezultată a imaginii va fi fantastic de mică: de ordinul unui micron!(Aceste monitoare sunt studiate la cursul de dispozitive periferice).

Un alt exemplu este utilizarea unui nanotub ca vârf de microscop de scanare. De obicei, o astfel de margine este un ac de wolfram ascuțit, dar conform standardelor atomice o astfel de ascuțire este încă destul de dur. Un nanotub este un ac ideal cu un diametru de ordinul mai multor atomi. Prin aplicarea unei anumite tensiuni, este posibil să ridicați atomi și molecule întregi situate pe substrat direct sub ac și să le transferați dintr-un loc în altul.

Proprietățile electrice neobișnuite ale nanotuburilor le vor face unul dintre principalele materiale pentru nanoelectronică. Pe baza acestora s-au realizat prototipuri de elemente noi pentru calculatoare. Aceste elemente fac dispozitivele mai mici cu câteva ordine de mărime în comparație cu cele din siliciu. Întrebarea în ce direcție va merge dezvoltarea electronicii după ce posibilitățile de miniaturizare ulterioară a circuitelor electronice bazate pe semiconductori tradiționali sunt complet epuizate este acum discutată activ (acest lucru se poate întâmpla în următorii 5-6 ani). Și nanotuburile au o poziție incontestabilă de lider printre candidații promițători pentru locul siliciului.

O altă aplicație a nanotuburilor în nanoelectronică este crearea de heterostructuri semiconductoare, i.e. structuri de tip „metal/semiconductor” sau joncțiunea a doi semiconductori diferiți (nanotranzistori).

Acum, pentru a produce o astfel de structură, nu va fi necesar să creșteți două materiale separat și apoi să le „sudați” împreună. Tot ceea ce este necesar este să creați un defect structural în acesta în timpul creșterii nanotubului (și anume, să înlocuiți unul dintre hexagoane de carbon cu un pentagon) pur și simplu prin spargerea lui în mijloc într-un mod special. Apoi o parte a nanotubului va avea proprietăți metalice, iar cealaltă va avea proprietăți semiconductoare!

A treia stare a carbonului (cu excepția diamantului și grafitului) revoluționează lumea noilor tehnologii.
Iată fragmente din mai multe articole (cu link-uri către ele).

http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/135.html
Multe dintre domeniile promițătoare din știința materialelor, nanotehnologie, nanoelectronică și chimie aplicată au fost recent asociate cu fullerene, nanotuburi și alte structuri similare, care pot fi numite termenul general structuri de cadru de carbon. Ce este?
Structurile cadru de carbon sunt molecule mari (și uneori gigantice!) formate în întregime din atomi de carbon. Se poate spune chiar că structurile de cadru de carbon sunt o nouă formă alotropică de carbon (pe lângă cele cunoscute de mult timp: diamant și grafit). Principala caracteristică a acestor molecule este forma scheletului: ele arată ca „cochilii” închise, goale în interior.
În cele din urmă, varietatea de aplicații care au fost deja inventate pentru nanotuburi este izbitoare. Primul lucru care se sugerează este utilizarea nanotuburilor ca tije și fire microscopice foarte puternice. După cum arată rezultatele experimentelor și modelării numerice, modulul Young al unui nanotub cu un singur perete atinge valori de ordinul 1-5 TPa, care este un ordin de mărime mai mare decât cel al oțelului! Adevărat, în prezent, lungimea maximă a nanotuburilor este de zeci și sute de microni - care, desigur, este foarte mare la scară atomică, dar prea scurtă pentru utilizarea de zi cu zi. Cu toate acestea, lungimea nanotuburilor obținute în laborator crește treptat - acum oamenii de știință s-au apropiat deja de marcajul milimetric: vezi lucrarea, care descrie sinteza unui nanotub cu pereți multipli de 2 mm lungime. Prin urmare, există toate motivele să sperăm că, în viitorul apropiat, oamenii de știință vor învăța să crească nanotuburi lungi de centimetri și chiar metri! Desigur, acest lucru va influența foarte mult tehnologiile viitoare: la urma urmei, un „cablu” gros ca părul uman, capabil să susțină o încărcătură de sute de kilograme, va găsi nenumărate aplicații.
Proprietățile electrice neobișnuite ale nanotuburilor le vor face unul dintre principalele materiale pentru nanoelectronică. Au fost deja create prototipuri de tranzistoare cu efect de câmp bazate pe un singur nanotub: prin aplicarea unei tensiuni de blocare de câțiva volți, oamenii de știință au învățat să modifice conductivitatea nanotuburilor cu un singur perete cu 5 ordine de mărime!
Au fost deja dezvoltate mai multe aplicații ale nanotuburilor în industria computerelor. De exemplu, au fost create și testate prototipuri de afișaje plate subțiri care funcționează pe o matrice de nanotuburi. Sub influența unei tensiuni aplicate la un capăt al nanotubului, electronii încep să fie emiși de la celălalt capăt, care cad pe ecranul fosforescent și fac ca pixelul să strălucească. Granulația rezultată a imaginii va fi fantastic de mică: de ordinul unui micron!

http://brd.dorms.spbu.ru/nanotech/print.php?sid=44
O încercare de a fotografia nanotuburi folosind o cameră convențională cu bliț a dus la ca un bloc de nanotuburi să facă un zgomot puternic în lumina blițului și, fulgerând puternic, să explodeze.
Oamenii de știință uluiți susțin că fenomenul descoperit în mod neașteptat al „explozivității” tuburilor poate găsi aplicații noi, complet neașteptate pentru acest material - chiar și folosindu-l ca detonatoare pentru a detona focoase. Și, de asemenea, evident, vor pune sub semnul întrebării sau complica utilizarea lor în anumite zone.

http://www.sciclibrary.com/rus/catalog/pages/2654.html
Se deschide perspectiva unei prelungiri semnificative a duratei de viață a bateriilor reîncărcabile

http://vivovoco.nns.ru/VV/JOURNAL/VRAN/SESSION/NANO1.HTM
Structurile de nanotuburi de carbon sunt un material nou pentru electronica de emisie.

http://www.gazetangn.narod.ru/archive/ngn0221/space.html
În 1996, s-a descoperit că nanotuburi de carbon individuale se pot răsuci spontan în frânghii din 100-500 de tuburi de fibre, iar rezistența acestor frânghii s-a dovedit a fi mai mare decât cea a diamantului. Mai exact, sunt de 10-12 ori mai puternice și de 6 ori mai ușoare decât oțelul. Imaginați-vă: un fir cu un diametru de 1 milimetru ar putea rezista la o sarcină de 20 de tone, de sute de miliarde de ori mai mare decât propria sa greutate! Din astfel de fire puteți obține cabluri super-rezistente, de lungime mare. Din materiale la fel de ușoare și durabile, puteți construi un cadru de lift - un turn gigant de trei ori mai mare decât diametrul Pământului. Cabinele pentru pasageri și marfă se vor deplasa de-a lungul ei cu o viteză enormă - datorită magneților supraconductori, care, din nou, vor fi suspendați pe frânghii din nanotuburi de carbon. Fluxul colosal de marfă în spațiu ne va permite să începem explorarea activă a altor planete.
Dacă cineva este interesat de acest proiect, detalii (în rusă) pot fi găsite, de exemplu, pe site-ul http://private.peterlink.ru/geogod/space/future.htm. Numai că nu există niciun cuvânt despre tuburile de carbon.
Și la http://www.eunet.lv/library/win/KLARK/fontany.txt puteți citi romanul lui Arthur C. Clarke „Fântânile Paradisului”, pe care el însuși l-a considerat cea mai bună lucrare a sa.

http://www.inauka.ru/science/28-08-01/article4805
Potrivit experților, nanotehnologia va face posibilă până în 2007 crearea de microprocesoare care vor conține aproximativ 1 miliard de tranzistori și vor putea funcționa la frecvențe de până la 20 gigaherți cu o tensiune de alimentare mai mică de 1 volt.

Tranzistor cu nanotuburi
A fost creat primul tranzistor format în întregime din nanotuburi de carbon. Acest lucru deschide perspectiva înlocuirii cipurilor de siliciu convenționale cu componente mai rapide, mai ieftine și mai mici.
Primul tranzistor nanotub din lume este un nanotub în formă de Y care se comportă ca un tranzistor convențional - potențialul aplicat unuia dintre „picioare” vă permite să controlați trecerea curentului între celelalte două. În același timp, caracteristica curent-tensiune a „tranzistorului nanotub” este aproape ideală: curentul fie curge, fie nu.

http://www.pool.kiev.ua/clients/poolhome.nsf/0/a95ad844a57c1236c2256bc6003dfba8?OpenDocument
Potrivit unui articol publicat pe 20 mai în jurnal stiintific Applied Physics Letters, specialiștii IBM au îmbunătățit tranzistori cu nanotuburi de carbon. Ca rezultat al experimentelor cu diferite structuri moleculare, cercetătorii au reușit să obțină cea mai mare conductivitate pentru tranzistoarele cu nanotuburi de carbon până în prezent. Cu cât conductivitatea este mai mare, cu atât tranzistorul funcționează mai repede și pe baza acestuia pot fi construite circuite integrate mai puternice. În plus, cercetătorii au descoperit că conductivitatea tranzistoarelor cu nanotuburi de carbon era mai mult decât dublă față de cele mai rapide tranzistoare de siliciu de aceeași dimensiune.

http://kv.by/index2003323401.htm
Grupul profesorului de la UC Berkeley, Alex Zettl, a făcut o nouă descoperire în domeniul nanotehnologiei. Oamenii de știință au creat primul cel mai mic motor la scară nanometrică bazat pe nanotuburi cu pereți multipli, după cum a raportat jurnalul Nature pe 24 iulie. Nanotubul de carbon acționează ca un fel de axă pe care este montat rotorul. Dimensiunile maxime ale unui nanomotor sunt de aproximativ 500 nm, rotorul are o lungime de la 100 la 300 nm, dar axa nanotuburilor are un diametru de doar câțiva atomi, adică. aproximativ 5-10 nm.

http://www.computerra.ru/hitech/tech/26393/
Zilele trecute, compania din Boston Nantero a făcut o declarație despre dezvoltarea plăcilor de memorie de un tip fundamental nou, create pe baza nanotehnologiei. Nantero Inc. este implicat activ în dezvoltarea de noi tehnologii, în special, acordă o atenție considerabilă găsirii modalităților de a crea memorie nevolatilă cu acces aleatoriu (RAM) bazată pe nanotuburi de carbon. În discursul său, un reprezentant al companiei a anunțat că sunt la un pas de a crea plăci de memorie cu o capacitate de 10 GB. Datorită faptului că structura dispozitivului se bazează pe nanotuburi, noua memorie se propune să se numească NRAM (Nonvolatile (non-volatile) RAM).

http://www.ixs.nm.ru/nan0.htm
Unul dintre rezultatele studiului a fost uz practic proprietăți remarcabile ale nanotuburilor pentru măsurarea masei particulelor extrem de mici. Când particula cântărită este plasată la capătul nanotubului, frecvența de rezonanță scade. Dacă nanotubul este calibrat (adică elasticitatea acestuia este cunoscută), masa particulei poate fi determinată din deplasarea frecvenței de rezonanță.

http://www.mediacenter.ru/a74.phtml
Printre primele aplicații comerciale va fi adăugarea de nanotuburi la vopsele sau materiale plastice pentru a face aceste materiale conductoare electric. Acest lucru va face posibilă înlocuirea pieselor metalice cu cele polimerice în unele produse.
Nanotuburile de carbon sunt un material scump. CNI îl vinde în prezent cu 500 de dolari pe gram. În plus, tehnologia de purificare a nanotuburilor de carbon - separând tuburile bune de cele rele - și modul în care nanotuburile sunt introduse în alte produse necesită îmbunătățiri. Rezolvarea unor probleme poate necesita descoperiri la nivel de Nobel, spune Joshua Wolf, partener de conducere la firma de capital de risc în nanotehnologie Lux Capital.

Cercetătorii au devenit interesați de nanotuburile de carbon din cauza conductivității lor electrice, care era mai mare decât cea a oricărui conductor cunoscut. De asemenea, au o conductivitate termică excelentă, sunt stabile din punct de vedere chimic, au o rezistență mecanică extremă (de 1000 de ori mai puternică decât oțelul) și, cel mai uimitor, capătă proprietăți semiconductoare atunci când sunt răsucite sau îndoite. Pentru a funcționa, acestea sunt modelate într-un inel. Proprietățile electronice ale nanotuburilor de carbon pot fi ca cele ale metalelor sau ca semiconductori (în funcție de orientarea poligoanelor de carbon față de axa tubului), adică. depind de mărimea și forma lor.

http://www.ci.ru/inform09_01/p04predel.htm
Nanotuburile metalice conductoare pot rezista la densități de curent de 102-103 ori mai mari decât metalele convenționale, iar nanotuburile semiconductoare pot fi pornite și oprite electric printr-un câmp generat de un electrod, permițând crearea de tranzistori cu efect de câmp.
Oamenii de știință de la IBM au dezvoltat o metodă numită „distrugere constructivă” care le-a permis să distrugă toate nanotuburile metalice, lăsându-le intacte pe cele semiconductoare.

http://www.pr.kg/articles/n0111/19-sci.htm
Nanotuburile de carbon au găsit o altă aplicație în lupta pentru sănătatea umană – de data aceasta, oamenii de știință chinezi au folosit nanotuburi pentru a purifica apa potabilă din plumb.

http://www.scientific.ru/journal/news/n030102.html
Scriem în mod regulat despre nanotuburi de carbon, dar există de fapt și alte tipuri de nanotuburi realizate dintr-o varietate de materiale semiconductoare. Oamenii de știință sunt capabili să crească nanotuburi cu grosimea, diametrul și lungimea peretelui specificate precis.
Nanotuburile pot fi folosite ca nanotuburi pentru transportul lichidelor și pot acționa și ca vârfuri pentru seringi cu un număr controlat precis de nanopicături. Nanotuburile pot fi folosite ca nanoforuri, nanopensete și vârfuri pentru microscoape de scanare cu tunel. Nanotuburile cu pereți suficient de groși și un diametru mic pot servi drept suporturi de susținere pentru nanoobiecte, în timp ce nanotuburile cu un diametru mare și pereți subțiri pot servi ca nanocontainere și nanocapsule. Nanotuburile realizate din compuși pe bază de siliciu, inclusiv carbură de siliciu, sunt deosebit de bune pentru fabricarea de produse mecanice, deoarece aceste materiale sunt puternice și elastice. Nanotuburile cu stare solidă pot găsi aplicații și în electronică.

http://www.compulenta.ru/2003/5/12/39363/
Divizia de cercetare a IBM Corporation a raportat realizare importantăîn domeniul nanotehnologiei. Specialiștii IBM Research au reușit să facă să strălucească nanotuburile de carbon, un material extrem de promițător care stă la baza multor dezvoltări nanotehnologice din întreaga lume.
Nanotubul emițător de lumină are un diametru de numai 1,4 nm, adică de 50 de mii de ori mai subțire decât un păr uman. Acesta este cel mai mic dispozitiv care emite lumină în stare solidă din istorie. Crearea sa a fost rezultatul unui program de studiu a proprietăților electrice ale nanotuburilor de carbon, desfășurat la IBM în ultimii ani.

http://bunburyodo.narod.ru/chem/solom.htm
Pe lângă crearea de nanofire metalice deja menționate mai sus, care este încă foarte departe de a fi realizată, dezvoltarea așa-numiților emițători de rece pe nanotuburi este populară. Emițători de rece - elementul cheie TV plat al viitorului, înlocuiesc emițătorii fierbinți ai tuburilor catodice moderne și, de asemenea, vă permit să scăpați de tensiunile de accelerație gigantice și nesigure de 20-30 kV. La temperatura camerei, nanotuburile sunt capabile să emită electroni, producând un curent de aceeași densitate ca un anod standard de wolfram la aproape o mie de grade și chiar la o tensiune de numai 500 V. (Și pentru a produce raze X aveți nevoie de zeci de kilovolți și o temperatură de 1500 de grade (nan))

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/742.html
Modulul elastic ridicat al nanotuburilor de carbon face posibilă crearea materiale compozite, oferind rezistență ridicată la deformații elastice ultra-înalte. Din astfel de material va fi posibil să se realizeze țesături ultra-ușoare și ultra-rezistente pentru pompieri și astronauți.
Suprafața specifică mare a materialului nanotub este atractivă pentru multe aplicații tehnologice. În timpul procesului de creștere, se formează nanotuburi elicoidale orientate aleatoriu, ceea ce duce la formarea unui număr semnificativ de cavități și goluri de dimensiune nanometrică. Ca urmare, suprafața specifică a materialului nanotubului atinge valori de aproximativ 600 m2/g. O suprafață specifică atât de mare deschide posibilitatea utilizării lor în filtre și alte dispozitive cu tehnologie chimică.

http://www.1september.ru/ru/him/2001/09/no09_1.htm
Un nanocable de la Pământ la Lună dintr-un singur tub ar putea fi înfășurat pe o bobină de dimensiunea unei semințe de mac.
Nanotuburile sunt de 50-100 de ori mai puternice decât oțelul (deși nanotuburile sunt de șase ori mai puțin dense). Modulul Young - o caracteristică a rezistenței unui material la tensiune și compresie axială - este în medie de două ori mai mare pentru nanotuburi decât pentru fibrele de carbon. Tuburile nu sunt doar durabile, ci și flexibile; comportamentul lor seamănă nu cu paiele casante, ci cu tuburi de cauciuc dur.
Un fir cu un diametru de 1 mm, format din nanotuburi, ar putea rezista la o sarcină de 20 de tone, care este de câteva sute de miliarde de ori masa proprie.
Un grup internațional de oameni de știință a demonstrat că nanotuburile pot fi folosite pentru a crea mușchi artificiali, care, cu același volum, pot fi de trei ori mai puternici decât cei biologici și nu se tem de temperaturi ridicate, vid și mulți reactivi chimici.
Nanotuburile sunt un material ideal pentru depozitarea în siguranță a gazelor în cavitățile interne. În primul rând, acest lucru se aplică hidrogenului, care ar fi fost folosit mult timp ca combustibil pentru mașini, dacă buteliile de stocare a hidrogenului voluminoase, cu pereți groși, grele și nesigure nu ar fi lipsit hidrogenul de avantajul său principal - o cantitate mare de energie eliberată per unitate de masă (pentru 500 km de kilometraj al vehiculului sunt necesare doar aproximativ 3 kg de H2). „Reservoirul de gaz” cu nanotuburi ar putea fi umplut staționar sub presiune, iar combustibilul ar putea fi îndepărtat prin încălzirea ușoară a „rezervorului de gaz”. Pentru a depăși buteliile de gaz convenționale în ceea ce privește masa și densitatea volumetrică a energiei stocate și (masa hidrogenului împărțită la masa sa împreună cu carcasa sau volumul său împreună cu carcasa), sunt necesare nanotuburi cu cavități cu un diametru relativ mare - mai mult peste 2-3 nm.
Biologii au reușit să introducă proteine ​​mici și molecule de ADN în cavitatea nanotuburilor. Aceasta este atât o metodă pentru producerea unui nou tip de catalizatori, cât și, în viitor, o metodă pentru livrarea moleculelor și medicamentelor active biologic către anumite organe.

Alte forme de carbon: grafen, întărit – grafen armat , carabină, diamant, fullerenă, nanotuburi de carbon, „muștați”.


Descrierea nanotuburilor de carbon:

Nanotuburile de carbon sunt o modificare de carbon a carbonului, care sunt structuri cilindrice goale cu un diametru de la zecimi la câteva zeci de nanometri și o lungime de la un micrometru la câțiva centimetri, constând din unul sau mai multe planuri de grafen laminate într-un tub.

Nanotuburile de carbon sunt una dintre formele alotrope de carbon împreună cu diamantul, grafitul, grafenul, fulerenul, carbina etc.

Dacă te uiți la un nanotub de carbon sub un microscop cu o mărire de un milion de ori, poți vedea un cilindru gol, a cărui suprafață este formată din multe poligoane hexagonale. În vârful poligonului echilateral se află un atom de carbon. Un nanotub de carbon seamănă vizual cu o foaie de hârtie rulată într-un tub, doar că în loc de o suprafață de hârtie ar trebui să ia în considerare un plan de grafit (mai precis, grafen). În comunitatea științifică, planul cilindric al tubului este de obicei numit grafen. Grosimea planului de grafen nu depășește un atom de carbon.

Lungimea unui nanotub de carbon poate ajunge până la câțiva centimetri. Unii oameni de știință au reușit să sintetizeze nanotuburi de carbon lungi de 20 cm.Pentru a obține structuri mai lungi, acestea pot fi țesute în fire de lungime nelimitată.

Proprietăți fizice nanotuburile depind direct de chiralitate (proprietatea celor mai mici particule dintr-o substanță nefiind complet suprapusă pe imaginea lor în oglindă). Gradul de chiralitate este determinat de relația care există între indicii speciali de chiralitate (n, m) și un anumit unghi de pliere a tubului (α).

Indicii de chiralitate (n, m) sunt coordonatele vectorului rază R în sistemul de coordonate oblic specificat pe planul grafenului, care determină orientarea axei tubului în raport cu planul grafenului și diametrul acestuia. Indicii (n, m) indică locația hexagonului rețelei, care, ca urmare a plierii tubului, ar trebui să coincidă cu hexagonul de la origine.


Tipuri și clasificare a nanotuburilor de carbon:

În funcție de indicii de chiralitate, ei disting: nanotuburi de carbon drepte, zimțate, în zig-zag și spiralate.

Pe baza numărului de straturi de grafen, nanotuburile de carbon sunt împărțite în cu un singur perete (cu un singur perete) și cu mai mulți pereți (cu mai mulți pereți).

Cel mai simplu tip de nanotuburi conține un singur strat. Diametrul nanotuburilor cu un singur perete poate fi de un nanometru, iar lungimea lor poate fi de mii de ori mai mare decât versiunea anterioară. Un nanotub cu un singur perete este adesea identificat cu un „model” de grafen, care are o structură de rețea și constă din nenumărate poligoane regulate.

Nanotuburile cu pereți multipli conțin mai multe straturi de grafen. Se caracterizează printr-o mare varietate de forme și configurații. Mai mult, diversitatea structurilor se manifestă atât pe direcția longitudinală, cât și pe cea transversală. Aici se disting următoarele tipuri:

– nanotuburi sub forma unui set de tuburi cilindrice imbricate coaxial unul în celălalt, așa-numitele. tastați „păpuși ruse” (păpuși ruse),

– nanotuburi sub forma unui set de prisme coaxiale (hexagonale) imbricate unele în altele,

– nanotuburi sub formă de sul.

Distanța dintre straturile adiacente de grafen este de 0,34 nm, ca în grafitul obișnuit.

În funcție de tipul de capete, nanotuburile de carbon sunt:

- deschis,

– închis (se termină cu o emisferă, care poate fi considerată ca jumătate dintr-o moleculă de fuleren).

Pe baza proprietăților lor electronice, nanotuburile de carbon sunt împărțite în:

– metal. Diferența dintre indicii de chiralitate (n – m) se împarte la 3 sau indicii sunt egali între ei,

– semiconductor. Alte valori ale indicilor de chiralitate (n și m).

Tipul de conductivitate al nanotuburilor depinde de chiralitatea lor, adică. pe grupul de simetrie căruia îi aparține un anumit nanotub și se supune regula simpla: dacă indicii nanotuburilor sunt egali între ei sau diferența lor este divizibilă cu trei, nanotubul este un semimetal; în orice alt caz, prezintă proprietăți semiconductoare.

Proprietățile și avantajele nanotuburilor de carbon:

– au proprietăți de adsorbție. Ele pot stoca diferite gaze, cum ar fi hidrogenul. Odată înăuntru, atomii și moleculele nu mai pot ieși, pentru că... capetele tubului sunt sigilate, dar nu pot trece prin planurile de grafen ale cilindrului, deoarece rețelele de carbon sunt prea înguste pentru majoritatea atomilor,

– au efect capilar. Nanotuburile de carbon cu capetele lor deschise atrag substanțe lichide și metale topite,

– îmbunătățirea caracteristicilor de performanță ale altor materiale atunci când sunt adăugate la structura lor,

- putere mare. Nanotuburile de carbon sunt de 50-100 de ori mai puternice decât cele mai bune calități de oțel,

– au o densitate de șase ori mai mică decât oțelul obișnuit. Aceasta înseamnă că materialele bazate pe nanotuburi de carbon vor fi de zeci de ori mai puternice pentru același volum. Un nanocable care se întinde de la Pământ la Lună, constând dintr-un singur nanotub de carbon, poate fi înfășurat pe o bobină de dimensiunea unei semințe de mac,

– modulul Young y carbon nanotuburile sunt de două ori mai mari decât cele convenționale fibra de carbon,

– un fir mic de nanotuburi de carbon cu diametrul de 1 mm poate rezista la o sarcină care cântărește 20 de tone, care este de sute de miliarde de ori mai mare decât propria sa greutate;

- rezistenta mare la foc,

– suprafață specifică record – până la 2.600 m 2 /g,

– flexibilitate ridicată. Ele pot fi întinse, comprimate, răsucite etc., fără teama de a le deteriora în vreun fel. Ele seamănă cu tuburi de cauciuc dur care nu se rupe sau nu se sparg sub diferite sarcini mecanice. Cu toate acestea, sub influența tensiunilor mecanice care le depășesc pe cele critice, nanotuburile nu numai că nu se rupe sau se sparg, ci pur și simplu se rearanjează, păstrând în același timp rezistența, flexibilitatea și alte proprietăți mecanice și electrice ridicate,

– rezistenta mare la uzura. Deformarea repetată (mii și zeci de mii de cicluri de răsucire/desfășurare, compresie/întindere pe minut) a nanotuburilor nu afectează în niciun fel rezistența sau conductivitatea lor electrică și termică. Nu există semne de deformare sau uzură,

– conductivitate electrică și termică crescută. Conductibilitatea cuprului ca cel mai bun conductor metalic tabelele D.I. Mendeleev, de 1000 de ori mai rău decât nanotuburile de carbon. În acest caz, conductivitatea electrică a tuburilor depinde de indicele de chiralitate. În unele cazuri, nanotuburile pot fi semiconductori, în altele prezintă proprietățile conductoarelor aproape ideale. În acest din urmă caz, prin nanotuburi poate fi trecut un curent electric de 10 7 A/cm2 și acestea nu vor emite căldură (în timp ce un conductor obișnuit de cupru s-ar evapora imediat),

- relația reciprocă între proprietățile electrice și mecanice,

– toxicitate și carcinogenitate asemănătoare fibrelor de azbest. În același timp, toxicitatea și carcinogenitatea nanotuburilor (precum și a fibrelor de azbest) este foarte diferită și depinde de diametrul și tipul fibrelor. Până în prezent, cercetările continuă cu privire la problema compatibilității biologice a nanotuburilor cu organismele vii. În orice caz, atunci când lucrați cu nanotuburi, trebuie respectate măsurile de siguranță și, în primul rând, asigurați protecția organelor respiratorii și digestive,

– prezintă un efect memristor,

– ocupă o poziție intermediară între cristale și atomi individuali. Prin urmare, cererea carbon nanotuburile vor contribui la miniaturizarea dispozitivelor,

– folosind nanotuburi de carbon puteți crea heterostructuri semiconductoare, adică structuri metalice/semiconductoare sau joncțiunea a doi semiconductori diferiți,

- având o conductivitate termică crescută, disipă eficient căldura,

– captează unde radio cu o frecvență de la 40 la 400 MHz (unde AM și FM obișnuite), apoi le amplifica și le transmite;

– hidrofob. Respinge apa.

Proprietățile fizice ale nanotuburilor de carbon:

Prepararea nanotuburilor de carbon:

Cele mai eficiente metode de sinteză a nanotuburilor includ:

- Ablația prin laser,

– depunerea chimică a substratului dintr-un mediu gazos sub influența unui catalizator la o temperatură de 700°C (CVD).

– pulverizarea termică a unui electrod de grafit în plasma unei descărcări cu arc într-o atmosferă de heliu.

Totuși, în urma acestor metode, se obține un amestec de nanotuburi de carbon foarte diferite: multipereți și monopereți, cu diametre diferite, cu indici de chiralitate diferiți și, în consecință, cu proprietăți diferite. Prin urmare, există o gravă problema tehnica izolarea nanotuburilor cu parametri specificați.

Aplicații ale nanotuburilor de carbon:

- microelectronica,

– ionistori (ultracondensatori, supercondensatoare),

- textile tehnice,

– acoperiri radio-absorbante,

- piese auto,

– sonde pentru microscop de forță atomică,

- baterii de lunga durata,

– materiale structurale compozite cu caracteristici de performanță îmbunătățite,

– vopsele antifouling (pentru a proteja părțile subacvatice ale navelor),

- materiale plastice conductoare,

- display-uri plate,

- muschi artificiali. Mușchiul artificial format din fire răsucite de nanotuburi de carbon cu adaos de parafină este de 85 de ori mai puternic decât mușchiul uman,


obținerea unei reacții de substituție producătorii tipuri descoperirea proprietăților mecanice și aplicații studiul densității dimensiunilor funcționalizarea structurii de producție metode metode de obținere a nanotuburilor de carbon
nanotuburi de carbon cu pereți multipli
cum să faci nanotuburi de carbon

Factorul de cerere 2 374

O altă clasă de clustere au fost formațiunile de carbon cilindrice alungite, care mai târziu, după ce structura lor a fost elucidată, au fost numite „ nanotuburi de carbon(CNT-uri). CNT-urile sunt molecule mari, uneori chiar ultra-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, prezentate ca linii albe, există atomi de carbon în stare de hibridizare sp 2. Pentru a vă asigura că structura cadrului CNT este clar vizibilă, atomii de carbon nu sunt prezentați aici. Dar nu sunt greu de imaginat. Tonul de gri arată aspectul orbitalilor moleculari ai suprafeței laterale a CNT.

Fig 3.1

Teoria arată că structura suprafeței laterale a unui CNT cu un singur perete poate fi imaginată ca un strat de grafit rulat într-un tub. Este clar că acest strat poate fi rulat numai în acele direcții în care alinierea rețelei hexagonale cu sine se realizează la închiderea suprafeței cilindrice. Prin urmare, CNT-urile au doar un anumit set de diametre și sunt clasificate De vectori care indică direcția de pliere a rețelei hexagonale. Depinde cum aspectși variații ale proprietăților CNT-urilor. Trei opțiuni tipice sunt prezentate în Fig. 3.2.

Setul de posibile diametre CNT se suprapune gamă de la puțin mai puțin de 1 nm la multe zeci de nanometri. A lungime CNT-urile pot ajunge la zeci de micrometri. Record De Lungimea CNT-urilor a depășit deja limita de 1 mm.

CNT-uri suficient de lungi (când lungime mult mai mare în diametru) poate fi considerat ca un cristal unidimensional. Pe ele se poate distinge o „celulă unitară”, care se repetă de mai multe ori de-a lungul axei tubului. Și acest lucru se reflectă în unele dintre proprietățile nanotuburilor lungi de carbon.

În funcție de vectorul de rulare al 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, de asemenea, diferite. Au forma de „jumătăți” de fullerene diferite. Opțiunile lor principale sunt prezentate în Fig. 3.3.

Orez. 3.3 Principalele opțiuni pentru „copertele” CNT-urilor cu un singur perete

Există, de asemenea CNT-uri multipereți. Unele dintre ele arată ca un strat de grafit rulat într-un sul. Dar majoritatea constau din tuburi cu un singur strat inserate unul in altul, interconectate de fortele van der Waals. Dacă CNT-uri cu un singur perete sunt aproape întotdeauna acoperite cu capace, atunci CNT-uri multipereți De asemenea, sunt 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 în continuare preferință celor din urmă.

CNT-urile cresc nu numai drepte, ci și curbilinie, îndoite pentru a forma un „genunchi” și chiar complet rulate sub forma unui tor. Adesea, mai multe CNT-uri sunt strâns conectate între ele și formează „mănunchiuri”.

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 descoperit 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 înaltă pentru producerea CNT includ metoda arcului electric. Dacă evaporați o tijă de grafit (anod) într-un arc electric, atunci se formează o acumulare de carbon dur (depozit) pe electrodul opus (catod), 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 influența termică la temperaturi înalte asupra funinginei a fost observată pentru prima dată de grupurile de la Oxford și elveția. Instalația pentru sinteza arcului electric este consumatoare de metale și consumă energie, dar este universală pentru producerea diferitelor tipuri de nanomateriale de carbon. O problemă semnificativă este procesul de neechilibru 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 produce 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. Astfel, 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 la 70-90%. Din acest moment, a început o nouă etapă în înțelegerea mecanismului de formare a nanotuburilor. A devenit evident că metalul a fost un catalizator pentru creștere. Așa au apărut primele lucrări privind producția de nanotuburi printr-o metodă la temperatură scăzută - metoda pirolizei catalitice a hidrocarburilor (CVD), unde au fost folosite ca catalizator particulele de metal din grupa fierului. Una dintre opțiunile de instalare pentru producerea de nanotuburi și nanofibre prin metoda CVD este un reactor în care este furnizat un gaz purtător inert, care transportă catalizatorul și hidrocarbura într-o zonă de temperatură înaltă.

Într-un mod simplificat, mecanismul de creștere al CNT-urilor este următorul. Carbonul format în timpul descompunerii termice a hidrocarburilor se dizolvă în nanoparticulele de metal. Când se atinge o concentrație mare de carbon într-o particulă, are loc o „eliberare” favorabilă din punct de vedere energetic a excesului de carbon pe una dintre fețele particulei de catalizator sub forma unui capac de semifuleren distorsionat. Așa se naște un nanotub. Carbonul descompus continuă să pătrundă în particulele de catalizator și, pentru a-și descărca concentrația în exces în topitură, este necesar să scăpăm constant de el. Emisfera ascendentă (semi-fulerenă) de la suprafața topiturii poartă cu ea excesul de carbon dizolvat, atomii căruia se formează în afara topiturii Conexiune S-S, care este un cadru de nanotuburi cilindric.

Temperatura de topire a unei particule într-o stare nanometrică depinde de raza acesteia. Cu cât raza este mai mică, cu atât temperatura de topire este mai mică, datorită efectului Gibbs-Thompson. Prin urmare, nanoparticulele de fier cu o dimensiune de aproximativ 10 nm sunt în stare topită sub 600°C. În prezent, sinteza la temperatură joasă a CNT-urilor a fost efectuată folosind 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 foarte defectuoasă precum „bambus” sau „nanoconuri cuibărite”. Materialele rezultate constau doar din carbon, dar nici măcar nu se apropie de caracteristicile extraordinare (de exemplu, modulul lui Young) observate în nanotuburile de carbon cu un singur perete obținute prin ablație cu laser sau prin sinteza arcului electric.