Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии. Учебное пособие
.pdf
Рис. 21. Экспериментальная установка для синтеза углеродных
нанотрубок лазерным испарением
Нанотрубки можно синтезировать, используя углеродную
дугу. К электродам из углерода, разнесенным на расстояние
около 1 мм, в потоке гелия при давлении 500 Торр прикладывается напряжение 20-25 В. Атомы углерода вылетают из положительного электрода и образуют нанотрубки на отрицательном. Для получения однослойных нанотрубок используют
катализаторы: кобальт, никель или железо. В отсутствие катализатора получаются вложенные или многослойные трубки,
т.е. нанотрубка находится внутри нанотрубки (рис. 22 [1]). Дуговым методом можно получить однослойные трубки диаметром 1-5 нм и длиной порядка 1 мкм.
Рис. 22. Схема многослойных нанотрубок
Метод химического осаждения из паровой фазы заключается в разложении газообразного углеводорода, например,
метана, при температуре 1100°С. При разложении газа образуются свободные атомы углерода, конденсирующиеся затем
на холодной подложке, которая может содержать катализаторы, такие, как железо. Этот процесс позволяет получать продукт непрерывно и, возможно, является наиболее предпочтительным для увеличения масштабов при промышленном производстве.
В работе [9] рассмотрено получение однослойных, двухслойных и тонких многослойных углеродных нанотрубок пиролизом углеводородов или разложением монооксида углерода
с катализатором на носителе.
Механизм роста нанотрубок до сих пор не ясен. Одно из
объяснений, называемое «механизмом скутера», состоит в том,
что атомы металлического катализатора присоединяются к
оборванным связям на открытом конце трубки и, обегая ее по
краю, способствуют захвату атомов углерода из паровой фазы
и их встраиванию в стенку трубки.
.3.3. Свойства нанотрубок и их применение
4
Благодаря своим уникальным свойствам УНТ могут найти широкое применение в таких областях, как электроника и
оптоэлектроника, производство химических сенсоров и биосенсоров, производство биомедицинских устройств, получение
композитов и многих других. Использованию УНТ посвящено
большое количество академических и промышленных исследований.
Перед учеными стоит задача разработки технологии
крупномасштабного производства УНТ. Существующие методы синтеза обеспечивают небольшой выход продукта достаточно высокой стоимости. В последние годы разработаны химические методы получения многослойных УНТ стоимостью
60 долларов США за фунт.
Электронные свойства. Высокая электронная и дырочная подвижность нанотрубок, их совместимость с диэлектриками и способность образовывать металлические контакты делают эти молекулярные структуры идеальным материалом для
высокоэффективных наноразмерных транзисторов (рис. 23
[1]).
Рис. 23. Схема полевого транзистора на основе УНТ
При приложении небольшого электрического поля вдоль
оси нанотрубки с ее концов происходит очень интенсивная
эмиссия электронов – так называемая полевая эмиссия. Одно
из применений этого явления − усовершенствование плоских
дисплеев. Композитный пластик, содержащий УНТ, может
оказаться материалом, экранирующим электромагнитное излучение, и использоваться, например, в военной промышленности.
Другое направление потенциального использования нано-трубок – изготовление тонкослойных транзисторов, состоящих из параллельных слоев тонких пленок. Уникальные
механические свойства обеспечивают нанотрубкам высокую
гибкость, что делает их идеальным кандидатом для включения
в гнущиеся пластиковые электронные устройства.
Компьютеры. В качестве переключающих элементов в
компьютерах используют полевые транзисторы на основе полупроводниковых нанотрубок, соединяющих два золотых
электрода (рис. 23). В перспективе на чип можно поместить
большее количество переключателей.
Другая активно развиваемая идея – создание компьютера
из нанотрубок. Компьютер состоял бы из массива параллельных УНТ на подложке (рис. 24 [1]). По оценкам исследовате-
2
лей на 1 см
чипа можно разместить 1012 таких элементов-
переключателей, тогда как на современных процессорах Pentium
Рис. 24. Иллюстрация концепции вычислительного переключающего устройства на основе УНТ
расположено около 10
8
переключателей. Скорость переключе-
ния этих устройств оценочно должно быть в 100 раз выше, чем
у нынешнего поколения интеловских чипов.
Топливные элементы. УНТ могут быть использованы в
изготовлении батареек, например, содержащих литий внутри
нанотрубки. Водород, хранящийся в нанотрубках, может служить источником электроэнергии в будущих автомобилях:
электрохимическая ячейка содержит электролит на основе
КОН, а отрицательный электрод состоит из листа УНТ, при
подаче на электроды напряжения ионы Н+ движутся к отрицательному электроду (рис. 25 [1]).
Рис. 25. Ячейка, используемая для введения водорода в УНТ
Химические сенсоры. Одним из наиболее интересных
применений УНТ является их использование к качестве химических и биологических сенсоров. Хотя все углеродные атомы
нанотрубок находятся на поверхности, УНТ чрезвычайно чувствительны к окружающей их среде. Например, на основе нанотрубок созданы электронные сенсоры, демонстрирующие
чувствительность к NO2, равную 100 частей на триллион. В
будущем возможно создание электронных носов для специфического распознавания и определения самых разных веществ.
Катализ. Нанотрубки могут служить катализаторами,
например, гидрогенизация коричного альдегида
С
СН=СНСНО в жидкой фазе ускоряется в присутствии ка-
6Н5
тализатора – многослойных нанотрубок со связанными с ними
снаружи атомами рутения.
Известны каталитические реакции, протекающие внутри
нанотрубок, например, восстановление NiO до металлического
никеля, AlCl3 до алюминия, МоО3 до МоО2 (475°С), образование CdS (400°С).
Другие примеры каталитических процессов с участием
углеродных нанотрубок приведены в главе 7 данного пособия.
Механическое упрочнение. Благодаря высокой прочности на разрыв и большому отношению длина/диаметр УНТ являются превосходным материалом для упрочнения композитов. По данным компании General Motors добавление 11.5 весовых процентов многослойных УНТ к полипропилену удваивает его прочность на разрыв. Добавление 5% по объему нанотрубок к алюминию также вдвое увеличивает его прочность,
а добавление 10% приводит к увеличению прочности в 6 раз
(Токийский университет).
Можно искать возможности упрочнения стали с помощью УНТ, поскольку нанотрубки образуют прочные связи с
железом. Актуальной становится разработка методов введения
нанотрубок в металлы и пластики.
.4. Кристаллические неорганические нановолокна
4
Кроме углеродных нанотрубок неорганические нановолокна представляют собой другой уникальный класс 1Dразмерных наноматериалов, обладающих особыми химическими, физическими и механическими свойствами. Такие нановолокна являются кристаллическими цилиндрическими материалами.
Первое сообщение о синтезе кремниевых нановолокон
методом лазерного испарения было опубликовано в работе
[10]. Позже был получен широкий ряд нановолокон, включая
гетероструктуры (например, с участием германия, индия), с
улучшенными и строго определенными функциональными
особенностями и свойствами, что позволяет включать их в иерархические структуры и находить для них разнообразное
применение (см. ссылки в работе [11]).
Если свойства углеродных нанотрубок в первую очередь
определяются их хиральностью, а значит, и диаметром, то в
случае неорганических нановолокон свойства регулируются
как диаметром, так и элементным составом, позволяя дополнительно контролировать их функциональность. В течение последних десяти лет нановолокна используются в качестве
строительных блоков для различных систем в таких областях,
как электроника, электрооптика, сенсоры, производство и хранение энергии, нейропередатчики и других [11].
С начала 1990-х годов исследования 1D-размерных наноструктур переживают взрывной прогресс в области управляемого синтеза и детальной характеристики углеродных нанотрубок и неорганических нановолокон. Эти миниатюризированные материалы служат модельными системами для понимания основных явлений в одномерном пространстве. Кроме
того, уникальные свойства нанотрубок и нановолокон привели
к развитию широкого спектра их технологического использования. Несомненно, эта захватывающая область нанонауки будет продолжать расти и развиваться в самых разных направлениях.
ГЛАВА 5.
ОБЪЕМНЫЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Объемные наноструктурированные материалы – это
твердые тела с наноразмерной микроструктурой. Их основными элементами являются наномасштабные структурные единицы или наночастицы. Эти элементы структуры могут быть
разупорядочены по отношению друг к другу, иначе говоря, их
оси симметрии ориентированы случайно, а положение в пространстве не обладает никакой симметрией. Частицы также
могут быть и упорядоченными, создавая решетку, обладающую симметрией.
5.1. Методы синтеза твердотельных структур
Компактирование. Для получения наноструктурирован-
ного сплава медь-железо смесь медного и железного порошков
состава Fe
85Cu15
перемалывается в шаровой мельнице в тече-
ние 15 часов при комнатной температуре, затем материал уплотняется в штампах из карбида вольфрама при давлении 1
ГПа в течение 24 часов. Эта прессовка обрабатывается горячим
обжимом при температуре 400°С и давлении 870 Па в течение
30 минут. Предел прочности сплава Cu−Fe в 5 раз превышает
таковой для железа с обычным размером зерен. Производство
нанокристаллических металлов и сплавов может обеспечить
существенное увеличение предела текучести и имеет множество полезных применений, например, в автомобилестроении.
Быстрое отвердевание. Установка, показанная на рис.
26 [1], позволяет получать наноструктурированный материал
посредством быстрого охлаждения и отвердевания расплава.
Поток расплавленного металла непрерывно набрызгивается на
охлаждаемый изнутри вращающийся барабан в атмосфере
инертного газа. Образуются полосы или ленты толщиной 10-
1
00 микрон. Таким способом получены сплавы из алюминия и
добавок других металлов: иттрия, никеля, железа. Сплав
Al−Y−Ni−Fe, состоящий из 10-30 наночастиц алюминия,
встроенных в аморфную матрицу, имеет напряжение на разрыв
более 1.2 ГПа. Такое высокое значение объясняется наличием
бездефектных частиц алюминия.
Рис. 26. Схема установки быстрого отвердевания
Газовая атомизация. Метод заключается в охлаждении
расплава металла с помощью высоскоростного потока инертного газа (рис. 27 [1]). При взаимодействии струи газа с металлом кинетическая энергия газа передается расплаву, и образуются тонкодисперсные капли. Этот метод можно использовать для крупномасштабного производства наноструктурированных порошков.
Гальванический способ. Наноструктурированный лист
меди можно получить на установке, содержащей два электрода
в электролите из медного купороса CuSO
.
4
Рис. 27. Схема установки газовой атомизации
.2. Механические свойства
5
Механизмы разрушения традиционных поликристаллических материалов следует знать, чтобы понять причины влияния наномасштабности зерен на свойства материалов.
Большинство объемных наноматериалов весьма хрупки и
демонстрируют невысокую пластичность под нагрузкой. Важно правильно выбрать технологию обработки и учесть влияние
дефектов и микроструктуры на их механические свойства
(пример − компактированная медь и гальваническая медь, в
которой отсутствуют остаточные напряжения).
5.3. Наноструктурированные многослойные материалы
Одним из представителей этого класса веществ являетя
материал из чередующихся слоев нитридов титана и ниобия.
Оба нитрида имеют один и тот же тип решетки – структуру
aCl. Твердость материала увеличена за счет несовпадения
N
кристаллических структур соседних слоев. Многослойные материалы, чередующиеся слои которых имеют разную кристал-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]