nano_1_97_4_lec

ж, ефект від подвійного електричного шару замість звичного діелектрика до-

зволяє набагато збільшити площу поверхні електроду. Типова ємність іоністора

— декілька фарад, за номінальної напруги від 2 до 10 Вольтів.

Перший конденсатор з подвійним шаром на пористих вуглецевих елект-

родах був запатентований у 1957 році фірмою General Electric. Оскільки точний механізм до того часу було не встановлено, було припущено, що енергія нако-

пичується в порах на електродах, що й призводить до утворення «винятково ви-

сокої здатності накопичення заряду». Пізніше, у 1966 році фірма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентувала елемент, який зберігав енергію у подвійному шарі.

Унаслідок невеликого обсягу продажів, у 1971 році SOHIO передала лі-

цензію фірмі NEC, якій вдалося вдало просунути продукт на ринку під маркою

«Supercapacitor» (Суперконденсатор). У 1978 році фірма Panasonic запропону-

вала на ринку «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотий конденсатор», що пра-

цює за тим самим принципом. Ці конденсатори мали відносно високий внутрі-

шній опір, що обмежувало віддачу енергії.

Перші іоністори з малим внутрішнім опором для застосування у потуж-

них схемах були створені у фірмі PRI у 1982 році. На ринку ці іоністори з'яви-

лись під маркою «PRI Ultracapacitor».

Існують такі види суперконденсаторів:

іонистори з ідеально поляризуємими вуглецевими електродами ("ідеаль-

ний" іоністор, іонний конденсатор). Не використовують електрохімічні реакції, працюють за рахунок іонного перенесення між електродами. Де-

котрі варіанти електроліту: 30% водний розчин КОН; 38% водний розчин Н2SO4; органічні електроліти;

іоністори з ідеально поляризованим вуглецевим електродом і неполяри-

зованими або слабко поляризованими катодом або анодом («гібридні» іо-

ністори). На одному електроді проходить електрохімічна реакція. Варіан-

ти: Ag(–) і твердий електроліт RbAg4I5; 30 % водний розчин КОН та

NiOOH(+);

171

псевдоконденсатори — іоністори, які використовують оборотні електро-

хімічні процеси на поверхні електродів. Мають високу питому ємність.

Електрохімічна схема: (–) Ni(H)/30 % водний розчин КОН/NiОOH (+);

(–) С(Н)/38% водний розчин Н2SO4/ PbSO4(РbO2) (+).

З появою іоністорів уможливилося застосування конденсаторів в елект-

ричних ланцюгах як перетворювальний елемент, так і джерело напруги. Їх ши-

роко використовують як замінники батарейок для зберігання інформації за від-

сутності зовнішнього живлення. Такі елементи мають як переваги, так і недоліки над звичними хімічними джерелами струму — гальванічними елемен-

тами і акумуляторами:

Переваги:

високі швидкості зарядки та розрядки;

простота зарядного пристрою;

мала деградація навіть після сотень тисяч циклів заряду/розряду.

мала вага порівняно з електролітичними конденсаторами подібної ємнос-

ті;

низька токсичність матеріалів;

неполярність.

Недоліки:

питома енергія симетричних іоністорів менша, ніж у акумуляторів (5–12

Вт·год/кг проти 200 Вт·год/кг для літій-іонних акумуляторів);

напруга залежить від ступеня зарядженості;

можливість вигоряння внутрішніх контактів у разі короткого замикання;

низька робоча напруга (декілька Вольт).

значно більший, порівняно з акумуляторами, саморозряд.

Електроди виготовляють зазвичай з активованого вугілля або вспінених металів. Загальна площа поверхні, навіть у тонкому шарі такого матеріалу, у

багато разів більша, ніж у традиційних матеріалів, таких як алюміній. Це дозво-

лило зберігати заряд у будь-якому малому об'ємі.

172

Наноакумулятори

Наноакумулятори — на початку 2005 року компанія Altair Nanotechnologies (США) оголосила про створення нового нанотехнологічного матеріалу для електродів літій-іонних акумуляторів. Акумулятори Li4Ti5O12 електродами мають час зарядки 10–15 хвилин. У лютому 2006 року компанія почала вироб-

ництво акумуляторів на своєму заводі в Індіані. У березні 2006 Altairnano і

компанія Boshart Engineering уклали угоду про спільне створення електромобі-

ля. У травні 2006 успішно завершилися випробування автомобільних наноаку-

муляторів. У липні 2006 Altair Nanotechnologies отримала перше замовлення на поставку літій-іонних акумуляторів для електромобілів.

Нанокапсули

Нанокапсули — штучно створені "контейнери для ліків" (рис. 101). Нано-

капсули мають розміри від 100 до 600 нанометрів. Зазвичай їх оболонка виго-

товлена з полімерів, або являють собою ліпосоми. Вони призначені для програ-

мованого розчинення ліків — у такий спосіб ліки краще засвоюються.

Сьогодні нанокапсули широко використовують у косметиці, для того, щоб дос-

тавляти поміщені в них вітаміни до підшкірних шарів.

Рисунок 101. — Нанокапсули Косметична індустрія дуже важлива галузь промисловості у світі. У кре-

мах компанії L’Oreal використовують спеціальні полімерні нанокапсули розмі-

ром 200 нанометрів, які транспортують вітамін А. Капсула діє як губка — вона зберігає корисні речовини до тих пір, доки її оболонка не розчиниться у шкірі.

173

Графен перетворювач морської води на прісну

Графен — перетворювач морської води на прісну — використання цього наноматеріалу дозволить здешевити процес перероблення морської води на прісну. Американська оборонна компанія Lockheed Martin отримала патент на матеріал Perforen, який виготовляють з графену. Якщо винахід буде адаптова-

ний світовим ринком, то у цій індустрії відбудуться значні зміни, адже зараз на ці потреби витрачається 18 млрд. дол. США.

Нанофільтри

Нанофільтри (рис. 102). У нанофільтрах для води активним матеріалом є вуглецеві нановолкна — речовина високої реакційної спроможності з дуже ве-

ликою питомою поверхнею (приблизно 2000 м2 на 1 гр. речовини). Під час змо-

чування нанофільтра водою утворюється маса, в якій затримуються часточки органічного та неорганічного походження.

а

б

Рисунок 102. — Нанофільтри для очищення води (а) та повітря (б)

174

Кожний ротор має розташовані по колу ―гнізда‖, які конструктивно виготовлені з врахуванням форми та розмірів певних молекул. Перебуваючи в в оточенні різних молекул ―гнізда‖ селективно схоплюють лише певні молекули, і втримують їх доти, доки молекула не опиниться всередині пристрою. Від ―гнізда‖ її відокремлює стрижень, розташований всередині ротора. Такі ротори можуть бути спроектовані из 105 атомів і мати розміри порядку (7×14×14 нм) за маси 2·10–21 кг. Вони можуть сортувати молекули, які складаються з 20 і менше атомів з швидкістю 106 молекул/сек за енерговитрат у 10–22 Дж на 1 молекулу. МСР дозволяє створювати тиск у 3000 МПа, споживаючи 10–19 Дж. Ротори можуть працювати у реверсному режимі, тобто можуть бути використані як для нагнітання, так і для вивантаження газів, воді і глюкози. Кожний ротор має 12 ―гнізд‖ для приєднання молекул, розташованих по довжині кола ротора. Декілька МСР, об'єднаних у каскад (рис. 104), дозволять нагнітати в резервуари хімічно чисті речовини, в яких не буде жодної чужої молекули.

З'єднувальні "гнізда‖ роторів мають специфічну структуру; їх будуть виготовляти шляхом конструювання атом-за-атомом за методикою створення активних центрів декотрих ферментів. Так фермент гексокиназу, який розриває молекулу шестивуглецевої глюкози на дві тривуглецеві молекули під час гликолізу, має з'єднувальні "гнізда‖ для глюкози.

Вихід молекул

Рисунок 104 — Каскад МСР

176

Вчений Ральф Меркле вважає, що у більшості випадків як "з'єднувальні

гнізда" для молекул, витягнутих у довжину, і які мають лінійну структуру, мо-

жна використовувати нанотрубки. Результати його моделювання дають можли-

вість визначити діаметр нанотрубок для різного типу молекул, наприклад C4H2, C2H2, N2, O2, СO2, C2HF. Такий нанорецептор може виглядати, як показано на рис. 105.

Рисунок 105. — З'єднувальне гніздо на основі нанотрубки

Для молекул, які мають плоску тримірну структуру, запропонована інша конструкція нанорецептора (рис. 106). Щоправда, виготовити подібний рецептор поки що неможна, на відміну від рецептора на основі нанотрубок. Рецептор складається з двох шарів графіту, між якими розташовується потрібна молекула. Вздовж її країв розміщені дві графітові смужки з атомів фтору. Така система повинна ефективно приєднувати молекули антрацену. Більш повна модель рецептора для антрацену наведена на рис. 107.

Усі описані нанорецептори, можуть працювати завдяки дії сил Ван-дер- Ваальса і Кулона. Приєднуючи молекули з різним електричним зарядом до з'єднувального гнізда, можна налаштувати гніздо на молекулу певного типу.

Робертом Фрайтасом запропоновано ряд "механічних" рецепторів для сортування молекул. Вони мають різну конструкцію, але принцип дії той самий

— рецептор за сигналом комп'ютера, автоматично набуває форму заданої молекули (рис. 108). У теперішній час детально пояснено їх принцип дії та основні фізико-математичні співвідношення, за якими можна оцінити їх швидкодію, енергоспоживання і енергію зв'язку молекул з атомами нанорецептора.

177

молекула антрацену С14Н10 Рисунок 106. — Нанорецептор для плоских молекул на прикладі

молекули антрацену

Рисунок 107. — Нанорецептор для антрацену

Рисунок 108. — Перелаштовувані молекулярні рецептори

178

Лекція 20

Наноефекти у природі. Дивні лапки. Ефект лотосу.

Дивні лапки

―Він завдовжки від 8 до 30 см. Голова доволі широка і сильно сплющена,

очі без повік з щілиноподібною зіницею, шия коротка, тіло товсте і сплющене,

хвіст поміркованої довжини, переважно досить ламкий. Тіло вкрите дуже дріб-

ними буграми та зернистими пелюстками. Водиться в теплих країнах‖.

Мова йде про гекона — ящірку, яка давно привернула увагу вчених своєю унікальною здатністю лазити як завгодно і де завгодно. Гекони не тільки пере-

суваються по вертикальних стінах, вони так само легко ходять по стелі або ві-

конному склі (рис. 109).

Рисунок 109. — Гекон на вертикально встановленому склі

Довший час вчені не могли зрозуміти, завдяки чому гекон бігає по зовсім гладкому вертикальному склу, не падаючи і не ковзаючи. Було зроблено багато спроб пояснити цей природний феномен. Спочатку вважали, що секрет полягає в унікальній конструкції присосок, якими оснащені лапки тварини. Проте таке припущення не підтвердилося, так само як і гіпотеза про виділення клейкої ре-

човини.

179

Розгадка цього явища вразила вчених: адже під час пересування гекон ви-

користовує закони молекулярної фізики! Вчені уважно вивчили лапку гекона

під мікроскопом. Виявилось, що вона вкрита дуже дрібними волосинами, діа-

метр яких у десять разів менший, ніж діаметр людського волосся. На кінчику

кожної волосини знаходяться тисячі найдрібніших подушечок з розміром всьо-

го двісті мільйонних частин сантиметра. Знизу подушечки прикриті листочками

тканини (рис. 110).

Рисунок 110. — Збільшене зображення лапки гекона

За великого збільшення видно, що кожне листячко вкрите сотнями тисяч тонких волосоподібних щетинок. А щетинки, своєю чергою, поділені на сотні лопатоподібних кінчиків, діаметр кожного з яких всього 200 нм. Сотні мільйонів цих волосин дозволяють чіплятися за найменші нерівності поверхні. Навіть абсолютно гладке,на наш погляд, скло надає геконам достатньо можливостей зачепитися. Як виявилося, тут діють сили Ван-дер-Ваальса, або, говорячи інакше, сили міжмолекулярної взаємодії. Теорія Ван-дер-Ваальса ґрунтується на положеннях квантової механіки. Молекули речовини на малих віддалях відштовхуються, а на великих — притягаються (за таким самим принципом діє атомний силовий мікроскоп).

Коли гекон ставить лапку на поверхню, лопаточки на кінцях нанощетинок настільки щільно прилягають к неї, що лапка як би прилипає до вертикальної стіни або стелі. Але тільки-но гекон напружить м'язи і потягне лапку — сили Ван-дер-Ваальса щезають, і вона легко відокремлюється від поверхні. Сили Ван-дер-Ваальса дуже малі, проте розташування волосин на пальчиках геконів дозволяє охоплювати достатньо велику поверхню, щоб ящірка могла втримати-

180