FTF 5 semestr.SOKOLOV / 20

Углеродные нанотрубки делятся на:

• Одностеночные УНТ

• ДвухстеночныеУНТ

• Многостеночные УНТ

УНТ имеют отношение длины к диаметру порядка тысячи единиц, в соответствии с этим их можно рассматривать как квазиодномерные структуры. УНТ могут состаять из 2 поверхностей, отличающихся физическими и химическими свойствами:

1. Боковая (Цилиндрическая часть трубки)

2. Закрытый торец

В зависимости от способа свертывания графенового листа существуют 3 формы УНТ:

1. Ахиральная УНТ (тип – кресло)

2. Ахиральная УНТ (тип – зигзаг)

3. Хиральные УНТ (под углом отличным от 0 и 90)

Двухмерная структура поверхности УНТ передается вектором свертки (хиральности) Сh , который определяется уравнением:

Сh = na1 + ma2 ,

где а1 и а2 – единичные векторы гексагональной сетки; n иm – целые числа (хиральные индексы).

Обозначение индексов иллюстрирует рис. 1.12.

Индексы n иm однозначно связаны с диаметром нанотрубки d:

d = (a / π) [3 (n2 + m2 + mn)]0,5,

где а – межатомное расстояние в плоской углеродной сетке (0,1421 нм) и θ – хиральный угол (характеризует отклонение от конфигурации зигзага и меняется в пределах от 0 до 30º).

Наименьший и наибольший диаметры однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) составляют соответственно около 0,3 и 5 нм.

Наиболее многочисленными как по строению, так и по морфологич. характеристикам являются многостеночные УНТ. В них встречается очень большое количество дефектов.

Число слоев в многостеночных УНТ составляет не более 10, но может составлять порядка нескольких дестятков.Растояние между слоями близко к расстоянию между слоями графита. (0,34 нм)

Методы получения УНТ

- дуговой;

- лазерной абляции;

- пиролиз углеводородов

Рис. 1.21. Схема установки для получения углеродных нанотрубок: 1 – графитовый анод; 2 – осадок, содержащий УНТ; 3 – графитовый катод; 4 – устройство для автоматического поддержания межэлектродного расстояния на заданном уровне; 5 – стенки камеры

В дуговом разряде между анодом и катодом при напряжении 20…25 В, стабилизированном постоянном токе дуги 50…100 А, меж-электродном расстоянии 0,5…2 мм и давлении Не 100…500 торр происходит интенсивное распыление материала анода. Часть продуктов распыления, содержащая графит, сажу и фуллерены, осаждается на охлаждаемых стенках камеры, часть, содержащая графит и многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), осаждается на поверхности катода.

ЛАЗЕРНОЕ ИСПАРЕНИЕ ГРАФИТА

Рис. 2. Схема аппарата для производства УНТ способом лазерной абляции:

1 – инертный газ; 2 – печь; 3 – охлаждаемый медный коллектор;

4 – охлаждающая вода; 5 – графитовая мишень

Импульсный или непрерывный лазер использовался, чтобы испарить графитовую мишень в разогретой до 1200 °C печи. Камера в печи была заполнена гелием или аргоном с давлением в пределах 500 торр. В ходе испарения формировалось очень горячее облако пара, которое затем растягивалось и быстро охлаждалось. Молекулы и атомы углерода конденсировались, формируя большие молекулы, включая фуллерены. Катализаторы также начинали конденсироваться, но более медленно и, присоединяясь к углеродным молекулам, предотвращали их закрытие. Из этих начальных скоплений молекул углерода образовывались УНТ, пока частицы катализатора не становились слишком большими или пока не охлаждались достаточно, чтобы углерод больше не мог диффундировать сквозь или по поверхности частиц катализатора. Также возможно то, что частицы катализатора покрывались слоем аморфного углерода и не могли больше адсорбировать его, и рост УНТ останавливался.

Пиролиз углеводородов

Нагретую до температуры пиролиза (550…1000 °С) реакционную зону продувают инертным газом (Ar, He), затем подают углеродсодержащий газ. Движущийся вдоль катализатора газ диффундирует сквозь его слой и сорбируется на поверхности активных центров (металл), где протекает ряд последовательных химических реакций, конечными продуктами которых являются углерод и водород. Продуктами данного процесса, который классифицируется как газофазное химическое осаждение (ГФХО) или

CDV-процесс, являются УНМ – ОУНТ, МУНТ и УНВ.

Возможные применения нанотрубок

• Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

• Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

• Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

• Оптические применения: дисплеи, светодиоды.

• Медицина (в стадии активной разработки).

• Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

• Трос для космического лифта: нанотрубки, теоретически, могут держать огромный вес — до тонны на квадратный миллиметр. Однако получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор ^[20], из-за чего приходится использовать нити, сплетённые из относительно коротких нанотрубок, что уменьшает итоговую прочность.

• Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные^[21]

• Искусственные мышцы. Путем введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой^[22]

• Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать ее в механическую. Опыт показывает, что такие нити выдерживают более миллиона циклов скручивания/раскручивания со скоростью 12.500 об/мин или 1.200 циклов сжатия/растяжения в минуту без видимых признаков износа.^[23] Такие нити могут применяться для выработки энергии из солнечного света.