4.4. Магнитная восприимчивость нанотрубок

Одной из особенностей углеродных нанотрубок являются высокие значения диамагнитной восприимчивости . Магнитная восприимчивость определялась для нанотрубок, собранных в жгут. Результаты измерений, в сравнении с другими формами углерода, представлены на рис. 7. Обнаружена большая отрицательная магнитная восприимчивость нанотрубок. Предпо­лагается, что диамагнетизм обусловлен протеканием электрон­ных токов по окружности нанотрубок. Диамагнетизм усилива­ется при низких температурах. Это свидетельствует о том, что помимо диамагнетизма, обусловленного вибрацией электронных орбит, действует механизм, характерный для сверхпроводников. Отметим, что изучение магнитных свойств нанотрубок только начинается.

5. Практическое использование нанотрубок

Малые размеры, возможность при синтезе получать необхо­димую электропроводность, механическая прочность и химичес­кая стабильность делают нанотрубки весьма желанным матери­алом для производства рабочих элементов в микроэлектронике. Теоретические расчеты показывают, что если в бездефектной однослойной нанотрубке с хиральностью (8,0) создать дефект в виде пары пятиугольник — семиугольник, то хиральность трубки в области существования дефекта становится (7,1). Нанотрубка с хиральностью (8,0) является полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,2 эВ, тогда как нанотрубка с хи­ральностью (7,1) является полуметаллом, для которого ширина запрещенной зоны равна нулю. Таким образом, нанотрубка с внедренным дефектом может рассматриваться как гетеропе­реход металл — полупроводник, который может составить ос­нову полупроводникового элемента рекордно малых размеров. В настоящее время усилия ученых направлены на разработку технологии получения углеродных нанотрубок, заполненных проводящим или сверхпроводящим материалом. Итогом реше­ния этой проблемы явилось бы создание токопроводящих соеди­нений, которые позволяют перейти к производству наноэлектронных приборов, размеры которых будут на один или два по­рядка меньше ныне существующих.

Единичные нанотрубки могут использоваться в качестве тон­чайших зондов для исследования поверхности с шерохова­тостью на нанометровом уровне. В этом случае используется чрезвычайно высокая механическая прочность нанотрубки. Модуль упругости Е вдоль продольной оси нанотрубки равен примерно 7000 ГПа, тогда как зонды, сделанные из стали и ири­дия, едва достигают значений Е = 200 и 520 ГПа соответствен­но. Кроме того, однослойные нанотрубки могут упруго удли­няться на 16 %. Чтобы наглядно представить такое свойство материала в макроскопическом масштабе, например, у железной спицы длиной в 30 см, ее можно было бы удлинить под нагруз­кой на 4,5 см, но после снятия нагрузки она бы снова вернулась к исходной длине. Зонд из нанотрубки со сверхупругими свой­ствами при превышении некоторого усилия будет изгибаться упруго и тем самым обеспечивать контакт с поверхностью. Высокие значения модуля упругости углеродных нанотрубок позволяют создать композиционные материалы, обеспечиваю­щие высокую прочность при сверхвысоких упругих деформаци­ях. Из такого материала можно получить сверхмягкую и сверх­прочную ткань.

Для многих технологических применений привлекательна высокая удельная поверхность материала нанотрубок. Нанотруб­ки в процессе роста образуют случайным образом ориентиро­ванные спиралевидные структуры, что приводит к образованию значительного количества полостей нанометрового размера. В результате удельная поверхность материала из нанотрубок до­стигает значения около 600 м²/г. Столь высокая удельная поверх­ность материала нанотрубок открывает возможность использования такого пористого материала в фильтрах и аппаратах химической технологии.

Имеются предложения по использованию материала нанотрубок в качестве электродов высокоемких электрохимических кон­денсаторов большой удельной мощности. Материалом для электродов служат нанотрубки длиной 20 мкм, входящие в состав пучков диаметром 2 мкм, которые отделяются друг от друга путем ультразвукового диспергирования в азотной кисло­те. Затем к трубкам присоединяются функциональные химичес­кие группы — СООН, — ОН и > С = 0. В результате образуется сплошная взаимосвязанная структура, которая могла слу­жить для изготовления электродов. Плотность материала элек­тродов составляет 0,8 г * см^-3 и может изменяться в зависимос­ти от технологии приготовления. Привлекательными свойствами полученного материала являются высокая пористость, доступная для электролита, высокая химическая и термическая стабильность. Удельная поверхность материала электродов 450 м²г^-1. Удельное сопротивление материала электрода 1,6 * 10^-2 Ом*см^-1. Удельная емкость конденсатора при постоянном токе 104 Ф*г^-1. Энергетические показатели таких конденсаторов весьма внуши­тельны: удельная мощность прибора превышает 8 кВт*кг^-1 при удельном энергосодержании 1,5 кДж *кг^-1. Таким образом, элек­трохимические конденсаторы на основе нанотрубок вполне мо­гут конкурировать с лучшими коммерческими образцами анало­гичного назначения.

Анализ фазовой структуры диаграммы состояния трехкомпонентной системы Bi – Pb – Sn.

1.На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трех компонентной системы определите фигуративные точки сплавов следую­щей концентрации:

а) Bi – 60%, Pb – 10%, Sn – 30%; б) Bi – 0%, Pb – 30%, Sn – 70%.

2.На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трех­компонентной системы изобразите: а) совокупность сплавов, имеющих постоянную концентрацию того или иного компонента, б)совокупность сплавов, характеризующихся постоянным соотношением компонентов:

а) Bi – 95%; б) Pb : Bi = 2 : 1.

3. Дадим определение поверхности солидуса, поверхности ликвидуса и поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик.

Поверхность солидуса – это геометрическое место фигуративных точек твёрдых растворов предельной концентрации. Поверхность ликвидуса – это геометрическое место фигуративных точек жидких растворов предельной концентрации. Поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик (линейчатые поверхности) – это поверхности, связанные с выделением двойной эвтектики. Над этими поверхностями сплавы двухфазны (сплав и один твёрдый компонент), а под ними трёхфазны (расплав и два твёрдых компонента). Особенностью таких поверхностей является то, что любое изотермическое сечение диаграммы пересекает поверхности двойных эвтектик по прямым линиям – коннодам, соединяющим фигуративные точки фаз, находящихся в равновесии при данной температуре – одной жидкой (точки лежат на линиях двойных эвтектик) и двух твёрдых (точки лежат на вертикальных линиях компонентов системы). В системе Bi-Pb-Sn имеются шесть поверхностей начала кристаллизации двойных эвтектик.

На концентрационном треугольнике проекции этих поверхностей изображаются в виде треугольников АЕВ, ВЕС, АЕС.

4. Сплав состава Bi – 80%, Pb – 10%, Sn – 10% при охлаждении из жидкого состояния начнет кристаллизоваться при температуре 200 ^оС.

5. Первые кристаллики, выпадающие при кристаллизации данного сплава (Bi – 80%, Pb – 10%, Sn – 10%), будут представлять собой чистый Bi, так как сплав находится в области, где первым кристаллизуется именно Bi. При дальнейшем охлаждении данного состава количество жидкой фазы будет уменьшатся по кривой HME и при температуре 96 ^оС полностью исчезнет.

6. Количество твердой фазы, которое выделится из 5 кг рассматриваемого сплава при охлаждении до температуры 425 К (152 ^оС) можно определить по правилу рычага:

7. Второй компонент из сплава данного состава начнет выделяться при температуре  100 ^оС(точка M). Это будет компонент Sn. Состав жидкой фазы будет изменяться по линии кристаллизации двойной эвтектики как указано стрелками.

8.Кристаллизация жидкой фазы рассматриваемого сплава закончится при температуре эвтектики (96 ^оС). При этом будет протекать такое фазовое превращение: L  Bi + Pb + Sn. Состав последней капли расплава будет также соответствовать составу эвтектики (точка E на диаграмме): Bi – 51 %, Pb – 30 %, Sn – 19 %.

9.Для определения числа условных термодинамических степеней свободы рассматриваемой системы при различных температурах воспользуемся правилом фаз Гиббса: С = K – Ф + 1, где: С – искомое число условных термодинамических степеней свободы; К – число компонентов, образующих систему; Ф – число фаз, находящихся в равновесии при данных условиях.

При 400 К (127 ^оС): К = 3, Ф = 2, С = 2. При 370 К (97 ^оС): К = 3, Ф = 3, С = 1. При 96 ^оС (температура точки Е): К = 3, Ф = 4, С = 0.

10.Политермический разрез системы с постоянным содержанием компонента Bi – 95 % представлен на рисунке ниже.

11.Кривые охлаждения приведены для двух сплавов (I и II) показаны в одной системе рисунков вместе с политермическим разрезом.

I

II

II

I

T, ^oC

L

250

LBi

LBi+Sn+Pb

Bi+Sn+Pb

LBi

LBi+Sn+Pb

Bi+Sn+Pb

L

LBi

L+Bi

137

125

96

LBi+Pb

LBi+Sn+Pb

LBi

LBi+Sn+Pb

L+Bi+Sn

L+Bi+Pb

Bi+Sn+Pb

Bi+Sn+Pb

Bi+Sn+Pb

PbBi (95% Pb)

BiSn (95% Sn)

12.В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точке эвтектики, на фоне почти однородной структуры, состоящей из зерен эвтектического сплава (при рассматривании в светлом поле микроскопа они будут выглядеть серым фоном), видны кристаллики первого выделившегося вещества (как правило более светлые). В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точкам чистых компонентов, будут наблюдаться крупные светлые кристаллики чистого компонента, а по их границам образовывается сетка из сплава состава эвтектики.

13. На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы изобразили проекцию эвтектической диаграммы с твердыми растворами при температуре эвтектики.

Проекция эвтектической диаграммы с твердыми растворами

При температуре эвтектики в равновесии находятся фазы:

,

Где , ,  – твёрдые растворы на основе компонентов Bi, Pb, Sn.

Заключение Открытие углеродных нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном. Однако многие свойства углеродных нанотрубок не имеют ничего общего ни с графитом, ни с фуллереном. Это позволяет рассматривать и исследовать нанотрубки как самостоятельный материал, обладающий уникальными физико-химическими характеристиками. Исследования углеродных нанотрубок представляютзначительный фундаментальный и прикладной интерес.

Список литературы.

1. Коленин, Золотухин. Физическое материаловедение

2. В. Радушкевич и В. М. Лукьянович. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте. ЖФХ, 26, 88 (1952)

3. http://www.sciencedaily.com/releases/2004/09/040917091336.htm

4. З. Я. Косаковская, Л. А. Чернозатонский, Е. А. Фёдоров. Нановолоконная углеродная структура. Письма в ЖЭТФ 56 26 (1992)

24