Fullereenid ja süsiniknanotorud. Omadused ja rakendus

1985. aastal Robert Curl, Harold Croteau Ja Richard Smalley avastas täiesti ootamatult täiesti uue süsinikuühendi - fullereen , mille ainulaadsed omadused on põhjustanud uuringute hoo. 1996. aastal pälvisid fullereenide avastajad Nobeli preemia.

Fullereeni molekuli alus on süsinik- see ainulaadne keemiline element, mida eristab võime kombineerida enamiku elementidega ja moodustada kõige mitmekesisema koostise ja struktuuriga molekule. Oma kooli keemiakursusest teate muidugi, et süsinikul on kaks peamist allotroopsed seisundid- grafiit ja teemant. Seega võime fullereeni avastamisega öelda, et süsinik omandas teise allotroopse oleku.

Kõigepealt vaatame grafiidi, teemandi ja fullereeni molekulide struktuure.

Grafiiton kihiline struktuur (Joonis 8) . Iga kiht koosneb süsinikuaatomitest, mis on omavahel kovalentselt seotud korrapäraste kuusnurkadena.

Riis. 8. Grafiidi struktuur

Külgnevaid kihte hoiavad koos nõrgad van der Waalsi jõud. Seetõttu libisevad nad kergesti üksteisest üle. Selle näiteks oleks lihtne pliiats - kui lohistate grafiitvarda üle paberi, "kooruvad" kihid järk-järgult üksteise küljest lahti, jättes sellele jälje.

Teemanton kolm mõõdet tetraeedriline struktuur (joonis 9). Iga süsinikuaatom on kovalentselt seotud nelja teisega. Kõik kristallvõre aatomid asuvad üksteisest samal kaugusel (154 nm). Igaüks neist on teistega ühendatud otsese kovalentse sidemega ja moodustab kristallis, olenemata suurusest, ühe hiiglasliku makromolekuli

Riis. 9. Teemantstruktuur

Tänu C-C kovalentsete sidemete suurele energiale on teemant kõrgeim tugevus ja seda kasutatakse mitte ainult vääriskivina, vaid ka toorainena metallilõikus- ja lihvimistööriistade valmistamisel (võib-olla on lugejad kuulnud teemantide töötlemisest. erinevad metallid)

Fullereenidsai oma nime arhitekt Buckminster Fulleri auks, kes leiutas sarnased konstruktsioonid arhitektuurilises ehituses kasutamiseks (seetõttu nimetatakse neid ka buckyballs). Fullereenil on jalgpalli palli meenutav raami struktuur, mis koosneb 5- ja 6-nurkse kujuga “plaastritest”. Kui kujutame ette, et selle hulktahuka tippudes on süsinikuaatomid, siis saame kõige stabiilsema fullereen C60. (Joonis 10)

Riis. 10. Fullereeni struktuur C 60

C60 molekulis, mis on fullereeni perekonna tuntuim ja ühtlasi sümmeetrilisem esindaja, on kuusnurkade arv 20. Pealegi piirneb iga viisnurk ainult kuusnurkadega ning igal kuusnurgal on kolm ühist külge kuusnurkadega ja kolm viisnurkadega. .

Fullereeni molekuli struktuur on huvitav selle poolest, et sellise süsiniku "palli" sees moodustub õõnsus, millesse tänu kapillaaride omadused sisse saab sisestada teiste ainete aatomeid ja molekule, mis võimaldab näiteks neid ohutult transportida.

Fullereene uurides sünteesiti ja uuriti nende molekule, mis sisaldasid erineva arvu süsinikuaatomeid - 36 kuni 540. (Joonis 11)

a B C)

Riis. 11. Fullereenide struktuur a) 36, b) 96, c) 540

Süsinikraami struktuuride mitmekesisus sellega aga ei lõpe. 1991. aastal Jaapani professor Sumio Iijima avastas pikad süsinikuballoonid nn nanotorud .

Nanotoru on enam kui miljonist süsinikuaatomist koosnev molekul, mis on umbes nanomeetrise läbimõõduga toru, mille pikkus on mitukümmend mikronit . Toru seintes paiknevad süsinikuaatomid korrapäraste kuusnurkade tippudes.

Riis. 13 Süsiniknanotoru struktuur.

a) nanotoru üldvaade

b) nanotoru ühest otsast rebenenud

Nanotorude ehitust võib ette kujutada nii: võtame grafiittasapinna, lõikame sellest riba välja ja “liimime” silindriks (tegelikkuses kasvavad nanotorud muidugi hoopis teistmoodi). Näib, et see võiks olla lihtsam - võtate grafiitlennuki ja rullite selle silindriks! – aga enne nanotorude eksperimentaalset avastamist ei ennustanud ükski teoreetik neid. Nii et teadlased said neid ainult uurida ja olla üllatunud.

Ja oli, mille üle imestada – lõppude lõpuks kaaluvad need hämmastavad nanotorud 100 tuhat.

kordi õhem kui inimese juuksekarv osutus ülimalt vastupidavaks materjaliks. Nanotorud on 50-100 korda tugevamad kui teras ja nende tihedus on kuus korda väiksem! Youngi moodul – Materjali deformatsioonikindluse tase on nanotorude puhul kaks korda kõrgem kui tavaliste süsinikkiudude puhul. See tähendab, et torud pole mitte ainult tugevad, vaid ka painduvad ning nende käitumine meenutab mitte rabedaid kõrsi, vaid kõvasid kummitorusid. Kriitilised ületavate mehaaniliste pingete mõjul käituvad nanotorud üsna ekstravagantselt: nad ei "rebi", ei "murdu", vaid lihtsalt seavad end ümber!

Praegu on nanotorude maksimaalne pikkus kümneid ja sadu mikroneid – mis on muidugi aatomiskaalas väga suur, kuid igapäevaseks kasutamiseks liiga lühike. Saadud nanotorude pikkus aga järk-järgult suureneb – nüüd on teadlased jõudnud juba sentimeetrimärgi lähedale. Saadi 4 mm pikkused mitmeseinalised nanotorud.

Nanotorusid on erineva kujuga: ühe- ja mitmeseinalised, sirged ja spiraalsed. Lisaks demonstreerivad nad tervet rida kõige ootamatumaid elektrilisi, magnetilisi ja optilisi omadusi.

Näiteks sõltuvalt grafiidi tasapinna konkreetsest voltimismustrist ( kiraalsus), võivad nanotorud olla nii elektrijuhid kui ka pooljuhid. Nanotorude elektroonilisi omadusi saab sihipäraselt muuta, viies torudesse teiste ainete aatomeid.

Fullereenide ja nanotorude sees olevad tühimikud on pikka aega tähelepanu äratanud.

teadlased. Katsed on näidanud, et kui fullereeni sisestada mingi aine aatom (seda protsessi nimetatakse "interkalatsiooniks", s.o "inkorporatsiooniks"), võib see muuta selle elektrilisi omadusi ja muuta isolaatori isegi ülijuhiks!

Kas nanotorude omadusi on võimalik samamoodi muuta? Selgub, et jah. Teadlased suutsid paigutada nanotoru sisse terve ahela fullereene, millesse olid juba sisse ehitatud gadoliiniumi aatomid. Sellise ebatavalise struktuuri elektrilised omadused olid väga erinevad nii lihtsa õõnsa nanotoru omadustest kui ka tühjade fullereenidega nanotoru omadustest. Huvitav on märkida, et selliste ühendite jaoks on välja töötatud spetsiaalsed keemilised sümbolid. Ülalkirjeldatud struktuur on kirjutatud kui Gd@C60@SWNT, mis tähendab "Gd C60 sees ühe seina nanotoru sees."

Nanotorudel põhinevate makroseadmete juhtmed võivad läbida voolu praktiliselt ilma soojust tekitamata ja vool võib ulatuda tohutu väärtuseni - 10 7 A/cm2 . Selliste väärtustega klassikaline dirigent aurustub koheselt.

Samuti on välja töötatud mitmeid nanotorude rakendusi arvutitööstuses. Juba 2006. aastal ilmuvad lameekraaniga emissioonimonitorid, mis töötavad nanotorude maatriksil. Nanotoru ühte otsa rakendatud pinge mõjul hakkab teine ​​ots kiirgama elektrone, mis tabavad fosforestseeruvat ekraani ja panevad piksli hõõguma. Saadud pilditera on fantastiliselt väike: suurusjärgus mikron!(Neid monitore uuritakse välisseadmete kursusel).

Teine näide on nanotoru kasutamine skaneeriva mikroskoobi otsana. Tavaliselt on selline serv teritatud volframnõel, kuid aatomistandardite järgi on selline teritamine siiski üsna konarlik. Nanotoru on ideaalne nõel, mille läbimõõt on suurusjärgus mitu aatomit. Teatud pinge rakendamisel on võimalik substraadil paiknevad aatomid ja terved molekulid otse nõela all üles korjata ja ühest kohast teise üle kanda.

Nanotorude ebatavalised elektrilised omadused muudavad need nanoelektroonika üheks peamiseks materjaliks. Nende põhjal valmistati uute elementide prototüübid arvutitele. Need elemendid muudavad seadmed räni omadega võrreldes mitme suurusjärgu võrra väiksemaks. Praegu arutletakse aktiivselt küsimuse üle, millises suunas elektroonika areng läheb pärast seda, kui traditsioonilistel pooljuhtidel põhinevate elektroonikaskeemide edasise miniaturiseerimise võimalused on täielikult ammendatud (see võib juhtuda lähema 5-6 aasta jooksul). Ja nanotorudel on räni asemele paljulubavate kandidaatide seas vaieldamatult juhtiv positsioon.

Teine nanotorude rakendus nanoelektroonikas on pooljuhtide heterostruktuuride loomine, s.o. "metall/pooljuht" tüüpi struktuurid või kahe erineva pooljuhi ühenduskohad (nanotransistorid).

Nüüd pole sellise konstruktsiooni tootmiseks vaja kahte materjali eraldi kasvatada ja neid siis kokku keevitada. Piisab vaid sellest, et nanotoru kasvamise käigus tekitatakse sellesse struktuurne defekt (nimelt asendatakse üks süsinikkuusnurk viisnurgaga) lihtsalt selle keskelt erilisel viisil lõhkudes. Siis on nanotoru ühel osal metallilised omadused ja teisel pooljuhtomadused!

Ja muud sarnased struktuurid, mida võib nimetada üldterminiga süsinikkarkassstruktuurid. Mis see on?

Süsiniku raamistiku struktuurid on suured (ja mõnikord hiiglaslikud!) molekulid, mis on valmistatud täielikult süsinikuaatomitest. Võib isegi öelda, et süsinikkarkassstruktuurid on süsiniku uus allotroopne vorm (lisaks juba ammu tuntud: teemant ja grafiit). Nende molekulide peamine omadus on nende skeleti kuju: need näevad seest välja nagu suletud tühjad "kestad". Süsinikkarkassstruktuuridest on tuntuim fullereen C 60, mille täiesti ootamatu avastamine 1985. aastal põhjustas selle valdkonna uurimistöö buumi (1996. aasta Nobeli keemiaauhinna said fullereenide avastajad Robert Curle, Harold Kroteau ja Richard Smalley). 80ndate lõpus ja 90ndate alguses, pärast makroskoopilistes kogustes fullereenide tootmise tehnika väljatöötamist, avastati palju teisi, nii kergemaid kui ka raskemaid fullereene: alates C 20 (minimaalne võimalik fullereen) ja kuni C 70, C 82, C 96 ja kõrgem.

Süsinikraami struktuuride mitmekesisus sellega aga ei lõpe. 1991. aastal avastati taas täiesti ootamatult pikad silindrilised süsiniku moodustised, mida nimetatakse nanotorudeks. Visuaalselt võib selliste nanotorude ehitust ette kujutada järgmiselt: võtame grafiittasapinna, lõikame sellest riba välja ja “liimime” silindriks (ettevaatust: selline grafiittasandi voltimine on vaid viis struktuuri ette kujutada nanotoru; tegelikkuses kasvavad nanotorud täiesti erineval viisil). Tundub, et see on lihtsam - võtate grafiittasapinna ja rullite selle silindriks! - aga enne nanotorude eksperimentaalset avastamist ei ennustanud ükski teoreetik neid! Nii et teadlased said neid ainult uurida – ja olla üllatunud!

Ja üllatavaid asju oli palju. Esiteks kujundite mitmekesisus: nanotorud võiksid olla suured ja väikesed, üheseinalised ja mitmekihilised, sirged ja spiraalsed. Teiseks osutusid nanotorud vaatamata oma näilisele haprusele ja isegi õrnusele ülitugevaks materjaliks nii pinges kui ka paindes. Veelgi enam, kriitilisi ületavate mehaaniliste pingete mõjul käituvad nanotorud ka ekstravagantselt: nad ei "rebi" ega "murdu", vaid lihtsalt seavad end ümber! Lisaks näitavad nanotorud tervet rida kõige ootamatumaid elektrilisi, magnetilisi ja optilisi omadusi. Näiteks nanotorud võivad olenevalt grafiiditasandi konkreetsest voltimismustrist olla nii juhid kui ka pooljuhid! Kas mõni teine ​​nii lihtsa keemilise koostisega materjal võib kiidelda vähemalt osa nendest omadustest, mis nanotorudel on?!

Lõpuks on nanotorude jaoks juba leiutatud rakenduste mitmekesisus silmatorkav. Esimene asi, mis annab mõista, on nanotorude kasutamine väga tugevate mikroskoopiliste varraste ja niitidena. Nagu näitavad katsete ja numbrilise modelleerimise tulemused, saavutab ühe seinaga nanotoru Youngi moodul suurusjärgus 1-5 TPa, mis on suurusjärgu võrra suurem kui terasel! Tõsi, praegu on nanotorude maksimaalne pikkus kümneid ja sadu mikroneid – mis on muidugi aatomiskaalas väga suur, kuid igapäevaseks kasutamiseks liiga lühike. Laboris toodetavate nanotorude pikkus aga järk-järgult suureneb – nüüd on teadlased jõudnud juba millimeetrimärgi lähedale: vaata tööd [Z. Pan et al, 1998], mis kirjeldab 2 mm pikkuse mitmeseinalise nanotoru sünteesi. Seetõttu on põhjust loota, et lähitulevikus õpivad teadlased kasvatama sentimeetrite ja isegi meetrite pikkusi nanotorusid! Muidugi mõjutab see tulevasi tehnoloogiaid suuresti: juuksekarva paksusele “kaablile”, mis on võimeline kandma sadade kilogrammide suurust koormust, leiab ju lugematul hulgal rakendusi.

Teine näide, kus nanotoru on osa füüsilisest seadmest, on see, kui see on "monteeritud" skaneeriva tunnel- või aatomjõumikroskoobi otsa. Tavaliselt on selline serv teritatud volframnõel, kuid aatomistandardite järgi on selline teritamine siiski üsna konarlik. Nanotoru on ideaalne nõel, mille läbimõõt on suurusjärgus mitu aatomit. Teatud pinge rakendamisel on võimalik substraadil paiknevad aatomid ja terved molekulid otse nõela all üles korjata ja ühest kohast teise üle kanda.

Nanotorude ebatavalised elektrilised omadused muudavad need nanoelektroonika üheks peamiseks materjaliks. Ühel nanotorul põhinevate väljatransistoride prototüübid on juba loodud: mitmevoldise blokeerimispinge rakendamisel on teadlased õppinud muutma üheseinaliste nanotorude juhtivust 5 suurusjärku!

Teine rakendus nanoelektroonikas on pooljuhtide heterostruktuuride loomine, s.o. metall/pooljuhtkonstruktsioonid või kahe erineva pooljuhi ühenduskoht. Nüüd ei ole sellise heterostruktuuri tootmiseks vaja kahte materjali eraldi kasvatada ja siis kokku keevitada. Kõik, mida on vaja, on tekitada selles nanotoru kasvamise ajal struktuurne defekt (nimelt asendada üks süsinikkuusnurk viisnurgaga). Siis on nanotoru üks osa metallist ja teine ​​pooljuht!

Arvutitööstuses on juba välja töötatud mitmeid nanotorude rakendusi. Näiteks on loodud ja testitud õhukeste lameekraanide prototüüpe, mis töötavad nanotorude maatriksil. Nanotoru ühte otsa rakendatud pinge mõjul hakkavad teisest otsast kiirgama elektronid, mis langevad fosforestseeruvale ekraanile ja panevad piksli hõõguma. Saadud pilditera on fantastiliselt väike: suurusjärgus mikron!

Sama aatommikroskoobi abil on võimalik salvestada ja lugeda infot -Al 2 O 3 substraadil paiknevast titaani aatomitest koosnevast maatriksist. See idee on ka juba eksperimentaalselt ellu viidud: saavutatud infosalvestustihedus oli 250 Gbit/cm 2 . Kuid mõlema näite puhul on massrakendus veel kaugel – sellised kõrgtehnoloogilised uuendused on liiga kallid. Seetõttu on siinkohal üks olulisemaid ülesandeid välja töötada odav meetod nende ideede elluviimiseks.

Teadlaste tähelepanu on äratanud ka tühimikud nanotorude sees (ja süsiniku karkassstruktuurides üldiselt). Mis saab tegelikult siis, kui fullereeni sisse asetatakse mingi aine aatom? Katsed on näidanud, et erinevate metallide aatomite interkalatsioon (s.o sissetoomine) muudab fullereenide elektrilisi omadusi ja võib isegi muuta isolaatori ülijuhiks! Kas nanotorude omadusi on võimalik samamoodi muuta? Selgub, et jah. [K.Hirahara et al, 2000] suutsid teadlased paigutada nanotoru sisse terve ahela fullereene, millesse olid juba sisse ehitatud gadoliiniumi aatomid! Sellise ebatavalise struktuuri elektrilised omadused olid väga erinevad nii lihtsa õõnsa nanotoru omadustest kui ka tühjade fullereenidega nanotoru omadustest. Selgub, et valentselektron, mille annab kõigi käsutuses olev metalliaatom, tähendab palju! Muide, on huvitav märkida, et sellistele ühenditele on välja töötatud spetsiaalsed keemilised nimetused. Ülalkirjeldatud struktuur on kirjutatud kui Gd@C 60 @SWNT, mis tähendab "Gd C 60 sees ühe seina nanotoru sees".

Aatomeid ja molekule on võimalik mitte ainult üksikult nanotorudesse “ajada”, vaid ka ainet sõna otseses mõttes “valada”. Nagu katsed on näidanud, on avatud nanotorul kapillaaromadused, see tähendab, et see tõmbab ainet endasse. Seega saab nanotorusid kasutada mikroskoopiliste anumatena keemiliselt või bioloogiliselt aktiivsete ainete transportimiseks: valkude, mürgiste gaaside, kütusekomponentide ja isegi sulametallide transportimiseks. Nanotorusse sattudes ei pääse aatomid või molekulid enam välja: nanotorude otsad on kindlalt "suletud" ja aromaatne süsinikutsükkel on enamiku aatomite jaoks liiga kitsas. Sellisel kujul saab aktiivseid aatomeid või molekule ohutult transportida. Sihtkohta jõudes avanevad nanotorud ühest otsast (ja nanotorude otste "jootmise" ja "lahtijootmise" toimingud on kaasaegse tehnoloogiaga täiesti võimalikud) ja vabastavad nende sisu rangelt määratletud annustes. See ei ole ulme, sedalaadi katseid tehakse juba paljudes laborites üle maailma. Ja on võimalik, et 10-20 aasta pärast hakatakse haigusi selle tehnoloogia alusel ravima: ütleme, et patsiendi verre süstitakse eelnevalt ettevalmistatud nanotorud väga aktiivsete ensüümidega, need nanotorud kogutakse teatud kohta kehas. teatud mikroskoopiliste mehhanismide abil ja "avatakse" teatud ajahetkel. Kaasaegne tehnoloogia on peaaegu kasutusvalmis...

Süsiniknanotorud on materjal, millest paljud teadlased unistavad. Kõrge tugevuskoefitsient, suurepärane soojus- ja elektrijuhtivus, tulekindlus ja kaalukoefitsient on suurusjärgu võrra kõrgemad kui enamikul tuntud materjalidel. Süsiniknanotorud on torusse rullitud grafeenileht. Vene teadlased Konstantin Novoselov ja Andrei Geim said selle avastamise eest 2010. aastal Nobeli preemia.

Esimest korda suutsid Nõukogude teadlased raudkatalüsaatori pinnal süsiniktorusid jälgida 1952. aastal. Siiski kulus viiskümmend aastat, enne kui teadlased nägid nanotorusid paljutõotava ja kasuliku materjalina. Nende nanotorude üks silmatorkavaid omadusi on see, et nende omadused on määratud geomeetriaga. Seega sõltuvad nende elektrilised omadused keerdumise nurgast – nanotorud võivad demonstreerida pooljuht- ja metallijuhtivust.

Mis see on

Paljud paljulubavad nanotehnoloogia valdkonnad on tänapäeval seotud süsinik-nanotorudega. Lihtsamalt öeldes on süsiniknanotorud hiiglaslikud molekulid või karkassstruktuurid, mis koosnevad ainult süsinikuaatomitest. Sellist nanotoru on lihtne ette kujutada, kui kujutada ette, et grafeen on toruks volditud – see on üks grafiidi molekulaarsetest kihtidest. Nanotorude voltimise meetod määrab suuresti selle materjali lõplikud omadused.

Loomulikult ei loo keegi nanotorusid spetsiaalselt grafiidilehest rullides. Nanotorud tekivad ise näiteks süsinikelektroodide pinnale või nende vahele kaarlahenduse käigus. Tühjenemise ajal aurustuvad süsinikuaatomid pinnalt ja ühenduvad üksteisega. Selle tulemusena moodustuvad erinevat tüüpi nanotorud - mitmeseinalised, üheseinalised ja erineva pöördenurgaga.

Nanotorude peamine klassifikatsioon põhineb neid moodustavate kihtide arvul:

• Üheseinalised nanotorud on kõige lihtsamad nanotorude tüübid. Enamiku neist on läbimõõt suurusjärgus 1 nm ja pikkus võib olla tuhandeid kordi suurem;
• Mitmekihilised nanotorud, mis koosnevad mitmest grafeenikihist, voldivad torukujuliseks. Kihtide vahele moodustub 0,34 nm vahemaa, mis on identne grafiidikristalli kihtide vahekaugusega.

Seade

Nanotorud on pikendatud silindrilised süsinikstruktuurid, mille pikkus võib olla kuni mitu sentimeetrit ja läbimõõt üks kuni mitukümmend nanomeetrit. Samal ajal on tänapäeval olemas tehnoloogiad, mis võimaldavad neid punuda piiramatu pikkusega niitideks. Need võivad koosneda ühest või mitmest torusse rullitud grafeenitasapinnast, mis tavaliselt lõpevad poolkerakujulise peaga.

Nanotorude läbimõõt on mitu nanomeetrit, see tähendab mitu miljardit meetrit. Süsinik-nanotorude seinad on valmistatud kuusnurkadest, mille tippudes on süsinikuaatomid. Torudel võib olla erinevat tüüpi struktuur, mis mõjutab nende mehaanilisi, elektroonilisi ja keemilisi omadusi. Ühekihilistel torudel on vähem defekte, samas on pärast kõrgel temperatuuril inertses atmosfääris lõõmutamist võimalik saada defektideta torusid. Mitmeseinalised nanotorud erinevad tavalistest ühe seinaga nanotorudest oluliselt suurema konfiguratsiooni ja kuju poolest.

Süsiniknanotorusid saab sünteesida erineval viisil, kuid kõige levinumad on:

• Kaarlahendus. Meetod tagab nanotorude tootmise tehnoloogilistes paigaldistes fullereenide tootmiseks kaarlahenduse plasmas, mis põleb heeliumi atmosfääris. Kuid siin kasutatakse erinevaid kaare põlemisrežiime: kõrgemat heeliumi rõhku ja madalaid voolutihedusi, samuti suurema läbimõõduga katoode. Katoodiladestus sisaldab kuni 40 mikroni pikkuseid nanotorusid, mis kasvavad katoodist risti ja ühendatakse silindrilisteks kimpudeks.
• Laser-ablatsiooni meetod . Meetod põhineb grafiidi sihtmärgi aurustamisel spetsiaalses kõrgtemperatuurilises reaktoris. Reaktori jahutatud pinnale moodustuvad nanotorud grafiidi aurustumiskondensaadi kujul. See meetod võimaldab saada valdavalt ühe seinaga nanotorusid, mis reguleerivad vajaliku läbimõõduga temperatuuri. Kuid see meetod on teistest oluliselt kallim.
• Keemiline aurustamine-sadestamine . See meetod hõlmab katalüsaatorikihiga substraadi ettevalmistamist - need võivad olla raua, koobalti, nikli osakesed või nende kombinatsioonid. Selle meetodi abil kasvatatud nanotorude läbimõõt sõltub kasutatavate osakeste suurusest. Substraat kuumutatakse 700 kraadini. Nanotorude kasvu käivitamiseks juhitakse reaktorisse süsinikku sisaldav gaas ja protsessigaas (vesinik, lämmastik või ammoniaak). Nanotorud kasvavad metallkatalüsaatorite aladel.

Rakendused ja funktsioonid

• Rakendused fotoonikas ja optikas . Valides nanotorude läbimõõdu, on võimalik tagada optiline neeldumine laias spektrivahemikus. Üheseinalistel süsinik-nanotorudel on tugev küllastuva neeldumise mittelineaarsus, mis tähendab, et need muutuvad piisavalt intensiivse valguse korral läbipaistvaks. Seetõttu saab neid kasutada erinevates fotoonikavaldkonna rakendustes, näiteks ruuterites ja lülitites, ülilühikeste laserimpulsside loomiseks ja optiliste signaalide regenereerimiseks.
• Rakendus elektroonikas . Hetkel on välja kuulutatud palju meetodeid nanotorude kasutamiseks elektroonikas, kuid ainult väikest osa neist saab rakendada. Suurim huvi on nanotorude kasutamise vastu läbipaistvates juhtmetes kuumakindla liidese materjalina.

Nanotorude kasutuselevõtu katsete olulisus elektroonikas on tingitud vajadusest asendada indium suure võimsusega transistorides, graafikaprotsessorites ja keskseadmetes kasutatavates jahutusradiaatorites, kuna selle materjali varud vähenevad ja hind tõuseb. .

• Andurite loomine . Süsiniknanotorud sensoritele on üks huvitavamaid lahendusi. Üheseinaliste nanotorude üliõhukesed kiled võivad praegu saada parimaks aluseks elektroonilistele anduritele. Neid saab toota erinevatel meetoditel.
• Biokiipide, biosensorite loomine , ravimite sihipärase tarnimise ja toimimise kontroll biotehnoloogiatööstuses. Töö selles suunas praegu käib. Nanotehnoloogia abil tehtud suure läbilaskevõimega analüüs vähendab oluliselt aega, mis kulub tehnoloogia turule toomiseks.
• Tänapäeval kasvab see järsult nanokomposiitide tootmine , enamasti polümeer. Kui neisse viia kasvõi väike kogus süsinik-nanotorusid, on tagatud oluline muutus polümeeride omadustes. See suurendab nende termilist ja keemilist stabiilsust, soojusjuhtivust, elektrijuhtivust ning parandab nende mehaanilisi omadusi. Süsiniknanotorude lisamisega on täiustatud kümneid materjale;

Nanotorudega polümeeridel põhinevad komposiitkiud;
lisanditega keraamilised komposiidid. Suureneb keraamika pragunemiskindlus, tekib elektromagnetkiirguse kaitse, suureneb elektri- ja soojusjuhtivus;
betoon nanotorudega – suurendab klassi, tugevust, pragunemiskindlust, vähendab kokkutõmbumist;
metallkomposiidid. Eriti vaskkomposiidid, mille mehaanilised omadused on mitu korda kõrgemad kui tavalisel vasel;
hübriidkomposiidid, mis sisaldavad korraga kolme komponenti: anorgaanilisi või polümeerkiude (kangaid), sideainet ja nanotorusid.

Eelised ja miinused

Süsiniknanotorude eeliste hulgas on järgmised:

• Paljud ainulaadsed ja tõeliselt kasulikud omadused, mida saab kasutada energiasäästlike lahenduste, fotoonika, elektroonika ja muude rakenduste rakendamisel.
• See on nanomaterjal, millel on kõrge tugevustegur, suurepärane soojus- ja elektrijuhtivus ning tulekindlus.
• Teiste materjalide omaduste parandamine, viies neisse väikese koguse süsiniknanotorusid.
• Lahtise otsaga süsinik-nanotorudel on kapillaarefekt, mis tähendab, et nad suudavad sisse tõmmata sulametalle ja muid vedelaid aineid;
• Nanotorud ühendavad tahkete ainete ja molekulide omadused, mis avab märkimisväärseid väljavaateid.

Süsiniknanotorude puudused on järgmised:

• Süsiniknanotorusid ei toodeta praegu tööstuslikus mastaabis, mistõttu on nende seeriakasutus piiratud.
• Süsiniknanotorude tootmiskulud on kõrged, mis piirab ka nende kasutamist. Teadlased teevad aga kõvasti tööd, et oma tootmiskulusid vähendada.
• Vajadus täiustada tootmistehnoloogiaid täpselt määratletud omadustega süsinik-nanotorude loomiseks.

Väljavaated

Lähitulevikus hakatakse süsiniknanotorusid kasutama kõikjal, nende abil luuakse:

• Nanoskaalad, komposiitmaterjalid, ülitugevad niidid.
• Kütuseelemendid, läbipaistvad juhtivad pinnad, nanojuhtmed, transistorid.
• Neuroarvutite uusimad arengud.
• Näidikud, LED-id.
• Seadmed metallide ja gaaside säilitamiseks, kapslid aktiivsete molekulide jaoks, nanopipetid.
• Meditsiinilised nanorobotid ravimite kohaletoimetamiseks ja operatsioonideks.
• Ülikõrge tundlikkusega miniatuursed andurid. Selliseid nanosensoreid võiks kasutada biotehnoloogilistes, meditsiinilistes ja sõjalistes rakendustes.
• Kosmoselifti kaabel.
• Lamedad läbipaistvad kõlarid.
• Kunstlikud lihased. Tulevikus on küborgid, robotid ja puuetega inimesed naasevad täisväärtuslikku ellu.
• Mootorid ja elektrigeneraatorid.
• Nutikas, kerge ja mugav riietus, mis kaitseb teid igasuguste ebaõnnetuste eest.
• Turvalised superkondensaatorid kiirlaadimisega.

Kõik see on tulevikku, sest süsinik-nanotorude loomise ja kasutamise tööstuslikud tehnoloogiad on alles väljatöötamise algstaadiumis ning nende hind on äärmiselt kallis. Kuid Venemaa teadlased on juba teatanud, et nad on leidnud võimaluse selle materjali loomise kulusid kakssada korda vähendada. Seda ainulaadset süsinik-nanotorude tootmise tehnoloogiat hoitakse praegu saladuses, kuid see peaks muutma revolutsiooni tööstuses ja paljudes teistes valdkondades.

Sissejuhatus:

Nanotorud võivad toimida mitte ainult uuritava materjalina, vaid ka uurimisvahendina. Nanotorude põhjal on võimalik luua näiteks mikroskoopilisi kaalusid. Võtame nanotoru, määrame (spektroskoopiliste meetoditega) selle loomulike vibratsioonide sageduse, seejärel kinnitame sellele uuritava proovi ja määrame laetud nanotoru vibratsiooni sageduse. See sagedus on väiksem kui vaba nanotoru võnkesagedus: süsteemi mass on ju suurenenud, kuid jäikus on jäänud samaks (meenutagem vedru raskuse võnkesageduse valemit). Näiteks töös avastati, et koormus vähendab võnkesagedust 3,28 MHz-lt 968 kHz-ni, kust saadi koormuse kaal 22 +- 8 fg (femtogrammid ehk 10-15 grammi!)

Teine näide, kus nanotoru on osa füüsilisest seadmest, on selle paigaldamine skaneeriva tunnel- või aatomjõumikroskoobi otsa. Tavaliselt on selline serv teritatud volframnõel, kuid aatomistandardite järgi on selline teritamine siiski üsna konarlik. Nanotoru on ideaalne nõel, mille läbimõõt on suurusjärgus mitu aatomit. Teatud pinge rakendamisel on võimalik substraadil paiknevad aatomid ja terved molekulid otse nõela all üles korjata ja ühest kohast teise üle kanda.

Nanotorude ebatavalised elektrilised omadused muudavad need nanoelektroonika üheks peamiseks materjaliks. Ühel nanotorul põhinevate väljatransistoride prototüübid on juba loodud: mitmevoldise blokeerimispinge rakendamisel on teadlased õppinud muutma üheseinaliste nanotorude juhtivust 5 suurusjärku!

Arvutitööstuses on juba välja töötatud mitmeid nanotorude rakendusi. Näiteks on loodud ja testitud õhukeste lameekraanide prototüüpe, mis töötavad nanotorude maatriksil. Nanotoru ühte otsa rakendatud pinge mõjul hakkavad teisest otsast kiirgama elektronid, mis langevad fosforestseeruvale ekraanile ja panevad piksli hõõguma. Saadud pilditera on fantastiliselt väike: suurusjärgus mikron!

Süsinik-nanotorud (torukesed) on pikendatud silindrilised struktuurid läbimõõduga ühest kuni mitmekümne nanomeetrini ja pikkusega kuni mitu sentimeetrit, mis koosnevad ühest või mitmest torusse valtsitud kuusnurksest grafiittasapinnast ja lõpevad tavaliselt poolkerakujulise peaga, mida võib pidada pooleks. fullereeni molekul

Nanotoru struktuur:

Nanotoru (n, m) saamiseks tuleb grafiiditasand lõigata mööda punktiirjoonte suundi ja rullida mööda vektori suunda R .

Ideaalne nanotoru on silindriks rullitud grafiiditasand, see tähendab korrapäraste kuusnurkadega vooderdatud pind, mille tippudes on süsinikuaatomid. Sellise toimingu tulemus sõltub grafiidi tasandi orientatsiooninurgast nanotoru telje suhtes. Orientatsiooninurk omakorda määrab nanotoru kiraalsuse, mis määrab eelkõige selle elektrilised omadused

Nanotorude kiraalsust tähistab sümbolite komplekt (m, n), mis tähistab kuusnurga koordinaate, mis tasandi voltimise tulemusena peavad ühtima alguspunktis paikneva kuusnurgaga.

Teine viis kiraalsuse näitamiseks on näidata nurk α nanotoru voltimissuuna ja selle suuna vahel, milles külgnevatel kuusnurkadel on ühine külg. Kuid sel juhul on nanotoru geomeetria täielikuks kirjeldamiseks vaja märkida selle läbimõõt. Üheseinalise nanotoru kiraalsusindeksid (m, n) määravad üheselt selle läbimõõdu D. Näidatud seosel on järgmine vorm:

Kus d 0 = 0,142 nm - naabersüsinikuaatomite vaheline kaugus grafiidi tasapinnal. Kiraalsusindeksite (m, n) ja nurga α vahelise seose annab seos:

Nanotorude erinevate võimalike voltimissuundade hulgast eristatakse neid, mille puhul kuusnurga (m, n) joondamine koordinaatide alguspunktiga ei nõua selle struktuuri moonutamist. Need suunad vastavad eelkõige nurkadele α = 0 (tugitooli konfiguratsioon) ja α = 30° (siksakiline konfiguratsioon). Näidatud konfiguratsioonid vastavad vastavalt kiraalsustele (m, 0) ja (2n, n).

(nanotorude tüübid)

Üheseinalised nanotorud:

Eksperimentaalselt vaadeldud ühe seinaga nanotorude struktuur erineb paljudes aspektides ülaltoodud idealiseeritud pildist. Esiteks puudutab see nanotoru tippe, mille kuju, nagu vaatlustest järeldub, pole kaugeltki ideaalne poolkera.

Üheseinaliste nanotorude seas on eriline koht nn tugitooli nanotorudel ehk kiraalsusega nanotorudel (10, 10). Seda tüüpi nanotorudes on kaks C-C sidet, mis moodustavad iga kuueliikmelise rõnga, orienteeritud paralleelselt toru pikiteljega. Sarnase struktuuriga nanotorud peaksid olema puhtalt metallilise struktuuriga.

Mitme seinaga nanotorud:

Mitmeseinalised nanotorud erinevad ühe seinaga nanotorudest palju suurema kuju ja konfiguratsiooni poolest. Konstruktsioonide mitmekesisus avaldub nii piki- kui ka põikisuunas.

„Vene nukkude” tüüpi struktuur (joonis a) on koaksiaalselt üksteise sisse pesatud silindriliste torude kogum. Teine selle struktuuri tüüp (joonis b) on üksteise sees pesastunud koaksiaalprismade kogum. Lõpuks sarnaneb viimane ülaltoodud struktuuridest (joonis c) rulliga. Kõigi joonisel fig. Külgnevate grafiidikihtide vahelise kauguse iseloomulik väärtus on lähedane väärtusele 0,34 nm, mis on omane kristalse grafiidi külgnevate tasandite vahelisele kaugusele.

Mitme seinaga nanotorude konkreetse struktuuri rakendamine konkreetses katseolukorras sõltub sünteesitingimustest. Olemasolevate eksperimentaalsete andmete analüüs näitab, et mitmeseinaliste nanotorude kõige tüüpilisem struktuur on struktuur, mille pikkuses paiknevad vaheldumisi „Vene pesanuku” ja „papier-mâché” tüüpi osad. Sel juhul sisestatakse väiksemad torud järjestikku suurematesse torudesse. Seda mudelit toetavad näiteks faktid kaaliumi või raudkloriidi interkalatsiooni kohta "tuubulaarsesse" ruumi ja "helmeste" tüüpi struktuuride moodustumise kohta.

Avastamise ajalugu:

Nagu teada, avastas fullereeni (C 60) Smalley, Kroto ja Curli rühm 1985. aastal, mille eest need teadlased pälvisid 1996. aastal Nobeli keemiaauhinna. Mis puutub süsinik-nanotorudesse, siis nende avastamise täpset kuupäeva on võimatu anda. Kuigi Iijima 1991. aastal tehtud vaatlus mitmeseinaliste nanotorude struktuuri kohta on hästi teada, on süsiniknanotorude avastamise kohta varasemaid tõendeid. Nii näiteks 1974.–1975. Endo jt on avaldanud mitmeid töid, mis kirjeldavad õhukesi torusid, mille läbimõõt on alla 100 Å, mis on valmistatud aurude kondenseerimisel, kuid üksikasjalikumat struktuuriuuringut pole tehtud. 1977. aastal registreeris rühm NSVL Teaduste Akadeemia Siberi Filiaali Katalüüsi Instituudi teadlasi mikroskoobi all raud-kroomi dehüdrogeenimiskatalüsaatorite karboniseerumist uurides õõnsate süsinikdendriitide moodustumist; pakuti välja moodustamist ja kirjeldati seinte struktuuri. 1992. aastal avaldati ajakirjas Nature artikkel, milles väideti, et nanotorusid vaadeldi 1953. Aasta varem, 1952. aastal, teatas nõukogude teadlaste Raduškevitši ja Lukjanovitši artikkel umbes 100 nm läbimõõduga kiudude elektronmikroskoopilisest vaatlusest, mis on saadud süsinikoksiidi termiline lagunemine raudkatalüsaatoril. Ka neid uuringuid ei jätkatud.