Применение, получение и свойства углеродных нанотрубок

Мемристорные свойства нанотрубок

В 2009 г., Yao, Zhang и др. продемонстрировали мемристор на основе однослойных горизонтально ориентированных углеродных нанотрубоках расположенных на диэлектрической подложке. Проявление мемристорного эффекта в представленной структуре было обусловлено взаимодействием УНТ с диэлектрической подложкой и захватом носителей заряда на границе раздела УНТ/SiO2.

В 2011 г., Vasu, Sampath и др. обнаружили мемристорный эффект на массиве разориентированных многослойных углеродных нанотрубок. Было установлено, что резистивное переключение в массиве обусловлено формированием проводящих каналов из УНТ ориентированных электрическим полем.

В 2013 г., Ageev, Blinov и др. сообщили об обнаружении мемристорного эффекта на пучках вертикально ориентированных углеродных нанотрубок при исследовании методом сканирующей туннельной микроскопии. После, в 2015 г. эта же группа ученых показала возможность резистивного переключения в индивидуальных вертикально ориентированных УНТ. Обнаруженный мемристорный эффект был основан на возникновении внутреннего электрического поля в УНТ при ее деформации.

Регенеративная медицина

Регенеративная медицина может использовать углеродные нанотрубки для поддержки регенерации органов; его сила и гибкость также могут помочь вылечить сломанные кости. Сетка из нанотрубок помогает поддерживать рост после посева стволовыми клетками, обеспечивая основу, которая способствует делению и распространению клеток. News Medical сообщает, что засеивание поверхности трубки кальцием привлекает факторы восстановления кости на поверхность, более гибкую, чем традиционные титановые или керамические имплантаты.

Кроме того, электрическая проводимость имплантатов из углеродных нанотрубок может помочь восстановить нервные волокна. Исследователи используют сетку из нанотрубок для восстановления сократимости сердечной мышцы путем перекрытия рубцовой ткани, отмечает News Medical . Нанотрубки также могут работать как имплантируемые электроды, соединяющие устройства и тело пациента. Журнал наноматериалов описывает предварительное исследование, направленное на изменение углеродных нанотрубок в качестве волокон для поддержки терапии стволовыми клетками для коррекции потери слуха во внутреннем ухе.

От нано к макро

Добившись результата, OCSiAl снизила цену на нанотрубки почти в 100 раз — до 2 тысяч долларов за килограмм. Помимо продажи нанотрубок высокого качества по беспрецедентно низкой цене, компания начала также разрабатывать технологии для различных индустрий, упрощающие введение нанотрубок в материалы. Для этих целей в Технопарке был построен центр прототипирования материалов, оснащенный самым современным оборудованием.

«Сразу после синтеза трубки слипаются в пучки из десятков нанотрубок. Чтобы они эффективно работали, вы должны разбить пучки, и это непросто. Затем трубки надо правильно ввести в материал. Мы эти проблемы решили. Мы научились делать мастербатчи — растворы с высокой концентрацией трубок, в которых пучки разбиты», — рассказал Предтеченский.

По его словам, эти растворы можно вливать на этапе жидкой фазы производства пластика или эпоксидной смолы и на выходе получать абсолютно новый продукт. Например, возможно увеличить прочность полиэтилена в шесть раз. При этом не надо менять технологическую линию.

Фото: Sibnet.ru

После получения этого результата компания открыла восемь офисов за границей: в Европе, США, Южной Корее, Китае, Индии, Гонконге. Оправдал себя и коммерческий ход с бесплатной рассылкой грамма нанотрубок по всему миру – несколько тысяч производителей получили возможность протестировать нанотрубки и убедиться в их уникальных свойствах.

«Мы производим 90% всего мирового рынка нанотрубок на одной технологической линии. Остальные 10% — десятки маленьких лабораторий. Все нанотрубки мы продаем. Примерно 30% покупателей российские, а 70% — зарубежные. Наша задача — забрать весь рынок, тогда бессмысленно будет с нами конкурировать», — заявил собеседник.

Композитные изделия, антистатические перчатки, шины, литий-ионные аккумуляторы, проводящие пленки, используемые при производстве LCD-дисплеев и Touch Screen — это лишь часть изделий, где нанотрубки позволяют сделать материалы прочнее, повысить их проводимость.

Сотрудники компании создали новый материал — бумагу из углеродных нанотрубок, которая имеет высокую проводимость

Ее можно использовать в кабелях вместо тяжелой медной оплетки, при этом вес кабеля снижается на 40%, что особенно важно для авиапромышленности. Введение нанотрубок в электроды позволяет увеличить в пять раз циклируемость стандартных свинцовых аккумуляторов

«Сейчас по российским нормам все производственные полы должны быть антистатические

Есть производства, где это принципиально важно, например, в электронике, иначе микро схема выгорает, или при работе со взрывчатыми веществами. 90% таких полов теперь изготавливают в России с нашими нанотрубками

Этот рынок мы забрали. Раньше для этих целей добавляли углерод и медные проволочки», — рассказал собеседник.

Нанотрубками заинтересовался новосибирский завод «Экран». Чтобы конкурировать на рынке, компания стала делать бутылки из более тонкого стекла, но увеличился процент брака. В специальный раствор добавили нанотрубки и облили им бутылки. Процент брака сократился, «Экран» получил гигиенический сертификат на эту продукцию. Сейчас завод решает вопросы запуска серийного производства.

«Трубы для химических, горючих компонентов должны быть разного цвета , чтобы рабочие могли их различать. Красить пластик очень трудно. Трубы должны быть электростатические, поэтому в них добавляют сажу, они от этого теряют прочность и приобретают черный цвет. Наших одностенных трубок необходимо мало, таким образом сохраняется цвет и увеличивается прочность пластика. Проводящие пластики — большой сегмент рынка. Цветные пластики будут высоко востребованы среди потребителей», — также уверяет Предтеченский.

Одностенные нанотрубки — это еще и единственный в мире материал, из которого можно создать трос для космического лифта, который позволит без ракет доставлять груз в космос. «Если сделать трос, по которому будет подниматься космический груз из стали, то внизу он будет в диаметре десятки километров. Задачу можно решить с помощью нанотрубок и над этим работают ученые в разных странах мира», — добавил ученый.

В 2015 году OCSiAl синтезировала 1,2 тонны нанотрубок, в этом году произведёт 4,5 тонны, но это все равно не покроет потребности рынка.

«Полтонны надо, чтобы все сенсоры были из нанотрубок. Все литий-ионные батарейки потребуют 150 тонн. Углепластики поглотят 300 тонн нанотрубок в год. Производство резины заберет 25 тысяч тонн. Весь рынок не менее 145 тысяч тонн трубок», — отметил собеседник.

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 , 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
Искусственные мышцы. Путём введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой
Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать её 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. Такие нити могут применяться для выработки энергии из солнечного света.

Революция началась

Группа операторов, отделенная стеклянной перегородкой, управляет плазмохимическим реактором. Несведущий человек не определит в огромном металлическом «котле» единственную в мире промышленную установку по синтезу нанотрубок, которой бы мечтали завладеть крупнейшие мировые корпорации. Именно поэтому здесь не разрешают фотографировать.

Внутри этой установки и синтезируются одностенные углеродные нанотрубки — невидимые глазу наноструктуры, способные изменять свойства материалов.

«Когда наука перестала финансироваться, я был молодым заведующим лаборатории с мировыми результатами. Я стал искать возможности для выживания, начал сотрудничать с международными корпорациями, делать заказные работы для НР и других компаний, а затем и для российских компаний, например, для угольной промышленности. Мне хотелось найти фундаментальный проект, чтобы можно было вложиться», — начал рассказ Предтеченский.

Фото: предоставлено компанией OCSiAl

Задание от НР по созданию струйного принтера, который смог бы печатать оловом для распайки интегральных схем, ученый выполнил за три дня, а за неделю сделал со слесарем образец. «Я продал эту идею за полмиллиона долларов. После этого я понял, что просто надо ставить задачи и их решать, тогда все получится», — сказал собеседник.

О нанотрубках Предтеченский знал с момента их открытия 25 лет назад и наблюдал за этой сферой. Но когда увидел нанотрубки в материалах на выставке «Роснано», то для него стало очевидно — за этим открытием будущее промышленности.

на сегодняшний день в мире зарегистрировано порядка 40 тысяч патентов в области использования нанотрубок и опубликовано более 500 тысяч научных статей, но уникальный материал пока мир не заполнил. Дело в том, что их производили лаборатории в очень маленьких объемах и стоимость килограмма нанотрубок приемлемого качества начиналась от 150 тысяч долларов.

Предтеченский вместе с группой бизнесменов из Красноярска и Томска поставили задачу создать промышленную технологию синтеза нанотрубок и значительно снизить их стоимость.

Фото: Sibnet.ru

Как поясняет ученый, технология синтеза предполагает, что углерод, образующийся при каталитическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла. При достижении высокой концентрации из частицы-катализатора происходит «выделение» избыточного углерода в виде «зародыша» нанотрубки. В стандартных технологиях синтеза одностенные нанотрубки, как правило, высаживаются на поверхностях.

Новосибирец же предложил оригинальное решение, позволившее перевести весь процесс в газовую фазу, когда приготовление катализатора и синтез нанотрубок выполняются одновременно в одном технологическом цикле.

«Главное отличие нашей технологий в том, что за счет неординарных технических решений она получилась масштабируемой, то есть в одной установке мы получаем на порядки больше нанотрубок, чем делают обычно», — сказал Предтеченский.

Он также подчеркнул: «Наш успех обусловлен тем, что мы находимся в Академгородке. Это изначальное конкурентное преимущество. Есть научные заделы, кадры, аналитическое оборудование, которое не так просто получить в другом месте. Очень важны связи с академическими научными институтами. Это пример роли науки в практическом применении».

Музыка нанотрубок

Углеродные нанотрубки — это свернутые в рулон листы графена, материала толщиной в один атом углерода. Высокий коэффициент прочности, превосходная тепло- и электропроводность, огнестойкость и другие характеристики данной структуры на порядок выше, чем у большинства известных материалов. Поэтому изучением свойств нанотрубок занимаются исследователи во всем мире.

Российским ученым удалось создать из них «говорящую пленку», которая воспроизводит звуковой сигнал за счет термоакустического эффекта. Под воздействием переменного тока, поступающего по проводам, нанотрубки нагреваются, что вызывает периодическое тепловое расширение внутри подложки и распространение звуковой волны. Получается практически прозрачный динамик.

— Это термоакустический громкоговоритель, — пояснил «Известиям» профессор, заведующий лабораторией наноматериалов Сколковского института науки и технологий, профессор РАН Альберт Насибулин. — Его главный плюс в том, что он способен создавать акустические волны в довольно широком диапазоне.

Ультразвук во все стороны

Главное преимущество нового материала перед стандартными ультразвуковыми устройствами, которые используют в качестве преобразователя звука пьезоэлементы (кристаллы), в том, что можно получить сигнал, уровень которого не сильно зависит от воспроизводимой частоты. Причем можно задать любую частоту: низкую, среднюю или высокую. Еще один плюс нового динамика в том, что он распространяет звук не в одну сторону, а во все одновременно.

«Говорящую пленку» предлагают использовать для калибровки ультразвукового оборудования, систем ориентирования роботов, а также для водной локации различных аппаратов и санации дна.

— К нам обращались также строители крупных автотрасс, предлагали использовать этот материал для отпугивания крупных животных. Например, лосей, которые выбегают на дороги и провоцируют аварии, — отметил Степан Романов. — С помощью ультразвука эту проблему можно решить довольно легко, он некомфортен для животных и заставляет их уходить обратно в лес.

Перенос тепла на молекулярном уровне

Когда материя нагревается, увеличивается средняя кинетическая энергия составляющих ее частиц, то есть увеличивается уровень беспорядка, атомы и молекулы начинают более интенсивно и с большей амплитудой колебаться около своих равновесных положений в материале. Перенос тепла, который на макроскопическом уровне можно описать законом Фурье, на молекулярном уровне представляет собой обмен кинетической энергией между частицами (атомами и молекулами) вещества, без переноса последнего.

Это объяснение механизма теплопроводности на молекулярном уровне отличает его от механизма термической конвекции, при котором имеет место перенос тепла за счет переноса вещества. Все твердые тела обладают способностью к теплопроводности, в то время как тепловая конвекция возможна только в жидкостях и газах. Действительно, твердые вещества переносят тепло в основном за счет теплопроводности, а жидкости и газы, если есть температурные градиенты в них, переносят тепло в основном за счет процессов конвекции.

Новости институтов

21/09

9236
21/09

8703
21/09

8754
21/09

8859
21/09

8742
21/09

8623
20/09

7702
20/09

7328
20/09

2160
20/09

879
20/09

513
20/09

676
20/09

692
20/09

613
20/09

603
20/09

643
20/09

429
20/09

554
20/09

581
20/09

482
20/09

469
20/09

480
20/09

519
20/09

421
17/09

930
17/09

1126
17/09

576
17/09

631
17/09

654
17/09

644
17/09

649
17/09

«Новые аспекты химии и биотехнологий»: прошла научно-исследовательская экспедиция в г. Карасук Новосибирской области

647
16/09

702
16/09

940
16/09

707
16/09

1016
16/09

658
16/09

713
16/09

684
16/09

774
16/09

655
16/09

481
16/09

505
16/09

611
16/09

549
16/09

621
16/09

509
16/09

568
16/09

500
16/09

505

Теплопроводность материалов

Ярко выраженной способностью проводить тепло обладают металлы. Для полимеров свойственна невысокая теплопроводность, а некоторые из них практически не проводят тепло, например, стекловолокно, такие материалы называются теплоизоляторами. Чтобы существовал тот или иной поток тепла через пространство, необходимо наличие некоторой субстанции в этом пространстве, поэтому в открытом космосе (пустое пространство) теплопроводность равна нулю.

Каждый гомогенный (однородный) материал характеризуется коэффициентом теплопроводности (обозначается греческой буквой лямбда), то есть величиной, которая определяет, сколько тепла нужно передать через площадь 1 м², чтобы за одну секунду, пройдя через толщу материала в один метр, температура на его концах изменилась на 1 К. Это свойство присуще каждому материалу и изменяется в зависимости от его температуры, поэтому этот коэффициент измеряют, как правило, при комнатной температуре (300 К) для сравнения характеристики разных веществ.

Если материал является неоднородным, например, железобетон, тогда вводят понятие полезного коэффициента теплопроводности, который измеряется согласно коэффициентам однородных веществ, составляющих этот материал.

В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов во Вт/(м*К) для температуры 300 К (27 °C):

сталь 47—58;
алюминий 237;
медь 372,1—385,2;
бронза 116—186;
цинк 106—140;
титан 21,9;
олово 64,0;
свинец 35,0;
железо 80,2;
латунь 81—116;
золото 308,2;
серебро 406,1—418,7.

В следующей таблице приведены данные для неметаллических твердых веществ:

стекловолокно 0,03—0,07;
стекло 0,6—1,0;
асбест 0,04;
дерево 0,13;
парафин 0,21;
кирпич 0,80;
алмаз 2300.

Из рассматриваемых данных видно, что теплопроводность металлов намного превышает таковую для неметаллов. Исключение составляет алмаз, который обладает коэффициентом теплопередачи в пять раз больше, чем медь. Это свойство алмаза связано с сильными ковалентными связями между атомами углерода, которые образуют его кристаллическую решетку. Именно благодаря этому свойству человек чувствует холод при прикосновении к алмазу губами. Свойство алмаза хорошо переносить тепловую энергию используется в микроэлектронике для отвода тепла из микросхем. А также это свойство используется в специальных приборах, позволяющих отличить настоящий алмаз от подделки.

В некоторых индустриальных процессах стараются увеличить способность передачи тепла, чего достигают либо за счет хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между составляющими конструкции. Примерами таких конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла. В других же случаях, наоборот, стараются уменьшить теплопроводность, чего достигают за счет использования теплоизоляторов, пустот в конструкциях и снижения площади контакта элементов.

Где применяется технология

У одностенных нанотрубок несколько сфер использования. Они широко применяются при производстве литий-ионных аккумуляторов, углепластиковых материалов, а также в автомобильной промышленности.

Так, если добавить нанотрубки в кислотно-свинцовый аккумулятор, то заметно вырастет количество циклов перезарядки.

На данный момент один километр трассы «Дон» покрыли асфальтом, в составе которого есть рассматриваемая технология. В ходе испытаний раскрылось несколько интересных фактов:

больше, чем на 60% повысилась устойчивость к образованию колеи;
на 10% возросла температура размягчения;
практически на 70% увеличилась устойчивость к усталостному трещинообразованию.

Нельзя не отметить и сферу производства шин. На данный момент в шинах много углерода (поэтому, кстати, они черного цвета). Это делается для того, чтобы в них не скапливалось статистическое электричество. Когда мы заменим углерод незначительным количеством нанотрубок, износостойкость шин станет выше, а электропроводность останется на прежнем уровне. Кроме этого, на дорогах мы сможем увидеть шины самых разных цветов.

Взрывоопасная среда – еще одно поле для борьбы со статистическим электричеством. Казалось бы, мукомольный завод является совершенно безопасным местом, но это не так. Здесь взвесь муки, которая находится в воздухе, может стать отличной взрывчаткой.

Добавлять изобретение можно в материал покрытия для пола и подошву обуви. Тем самым мы избежим «чирканья» по полу. Что интересно, если покрыть стеклянную бутылку или банку нанотрубками, то емкости станут в разы прочнее.

Как главная составляющая сверхточных и миниатюрных детекторов графен может совершить революцию в медицине. Также материал используется для создания гибких и прочных тачскринов нового поколения.

Перспективное изобретение

«Говорящая пленка» — очень интересное и перспективное с точки зрения промышленности изобретение, уверен заведующий кафедрой прикладной и технической физики ТюмГУ Борис Григорьев.

— Сразу в голову пришла идея компактной системы активного шумоподавления. Например, если нанести его на поверхность стен в многоквартирном доме, можно до нуля снизить слышимость без использования традиционных пассивных систем, уменьшающих полезную площадь комнат. Известно, что от проблемы тонких межквартирных стен страдают многие жильцы, особенно в домах современной постройки, а мириться с «голосами за стеной» новоселам приходится всю жизнь. Если бы удалось усовершенствовать и адаптировать данное изобретение под эту задачу и вывести его в виде готового продукта на строительный рынок, при разумной цене огромный спрос ему обеспечен, — уверен Борис Григорьев.

Профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Рауль Родригес также верит в перспективность нового типа динамиков.

— Прозрачность материала является серьезным преимуществом предложенной технологии, которое позволяет найти для нее широкое применение. Например, можно создать многофункциональные умные окна для зданий, которые можно использовать как динамики на частотах, доступных человеческому слуху, а высокие частоты применять для их самоочистки, — считает эксперт. — Гибкость и энергоэффективность материала дает возможность создавать из него портативные устройства, которые можно будет складывать для переноски и хранения, а затем легко разворачивать для использования в качестве громкоговорителя, — уверен эксперт.

Сейчас специалисты Сколтеха продолжают изучать свойства нового материала и обсуждают области его возможного применения с потенциальными коммерческими партнерами. В случае удачных переговоров промышленное производство приборов на основе «говорящей пленки» можно запустить в течение нескольких лет.

Описание файла

Файл «Nanotrubki» внутри архива находится в папке «Неуглеродные нанотрубки — получение, свойства и применение». Документ из архива «Неуглеродные нанотрубки — получение, свойства и применение»,
который расположен в категории «рефераты, доклады и презентации».
Всё это находится в предмете «физико-химические основы электронных и нанотехнологий» из четвёртого семестра, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана.
Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе «рефераты, доклады и презентации», в предмете «физико-химические основы электронных и нанотехнологий» в общих файлах.

Электрофизические свойства

Электрофизические свойства углеродных нанотрубок находятся в стадии самого пристального изучения учёными сообществами всего мира. Проектируя нанотрубки в определённых геометрических соотношениях, можно придать им проводниковые или полупроводниковые свойства. Например, алмаз и графит являются углеродом, но вследствие различия в молекулярной структуре обладают различными, а в некоторых случаях противоположными свойствами. Такие нанотрубки называют металлическими или полупроводниковыми.

Нанотрубки, которые проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, являются металлическими. Нулевая проводимость электрического тока при абсолютном нуле, которая возрастает с повышением температуры, указывает на признак полупроводниковой наноструктуры.

Основная классификация распределяется по способу сворачивания графитовой плоскости. Способ сворачивания обозначается двумя числами: «m» и «n», которые задают направление сворачивания по векторам графитовой решётки. От геометрии сворачивания графитовой плоскости зависят свойства нанотрубки, например, угол скручивания непосредственно влияет на их электрофизические свойства.

В зависимости от параметров (n, m) нанотрубки бывают: прямые (ахиральные), зубчатые («кресло»), зигзагообразные и спиральные (хиральные). Для расчёта и планирования электропроводности используют формулу соотношений параметров: (n-m)/3.

Целое число, получаемое при расчёте, свидетельствует о проводимости нанотрубки металлического типа, а дробное — полупроводниковой. Например, металлическими являются все трубки типа «кресло». Углеродные нанотрубки металлического типа проводят электрический ток при абсолютном нуле. Нанотубулены полупроводникового типа обладают нулевой проводимостью при абсолютном нуле, которая возрастает с повышением температуры.

Нанотрубки с металлическим типом проводимости ориентировочно могут пропускать миллиард ампер на квадратный сантиметр. Медь, являясь одним из лучших металлических проводников, уступает нанотрубкам по этим показателям более чем в тысячу раз. При превышении предела проводимости происходит нагрев, который сопровождается плавлением материала и разрушением молекулярной решётки. С нанотубуленами при равных условиях этого не происходит. Это объясняется их очень высокой теплопроводностью, которая превышает показатели алмаза в два раза.

По показателям прочности нанотубулен также оставляет другие материалы далеко позади. Он прочнее самых прочных сплавов стали в 5–10 раз (1,28–1,8 ТПа по модулю Юнга) и обладает упругостью в 100 тысяч раз выше чем каучук. Если сравнить показатели предела прочности, то они превышают аналогичные прочностные характеристики качественной стали в 20–22 раза!

5. Свертывание пленок

О бщий способ (а). Тонкую пленку 1 наносят на двухслойную подложку 2-3, верхний слой которой может быть удален селективным травлением. После травления край пленки отделяют от подложки, загибают и накладывают поверх пленки. Тубулярная структура формируется в области сгиба (см. рис. 6).Таким образом были получены, например, кремний-германиевые нанотрубки длиной до 12 мкм и диаметром 230 нм. Толщина одного слоя составляла 16 нм и определялась условиями нанесения пленки.

Рис.3

Специальный способ (б).

Свойства неуглеродных нанотрубок

Получаемые структуры на основе метода свертывания пленок жестче углеродных нанотрубок на сжатие и проявляют в сравнении с монокристаллом повышенную химическую стойкость. Механические напряжения, вызванные различием параметров решеток в пленке полученной трубки, существенно влияют на квантовые свойства носителей заряда. Появилась возможность создания квантовой точки из трубки нанометровой длины.

Отметим, что для изготовления подобных квантовых точек необходимо использовать полупроводники с обогащенной поверхностью или металлы.

Благодаря наличию внутреннего канала и большой теплостойкости неуглеродные нанотрубки перспективны для получения новых веществ путем их синтеза в полости канала.

Применение неуглеродных нанотрубок

В полости нанотрубки различные вещества находятся в конденсированном состоянии и имеют надежную по химической и механической стойкости оболочку, что открывает перспективы разработки технологий их хранения.

Идея защиты нити проводника или углеродной нанотрубки, помещенной внутрь нанотрубок диэлектриков, уже опробована. Интересно отметить, что для квантовых нитей металлов и полупроводников наблюдается изменение температуры перехода в сверхпроводящее состояние, отсутствие внутренних дефектов, стойкость к окислению, баллистический перенос электронов и т.д.

Интересным представляется также изменение электронных свойств неуглеродных нанотрубок, в частности смещение уровня Ферми легированием, изменение подвижности носителей, зонной структуры, получение трубок с различной морфологией.

При создании электронных приборов могут реализовываться методы, в основе которых лежат технологии, аналогичные применяемым при создании устройств на полупроводниковых кристаллах: использование трубок с полупроводниковой проводимостью n- и p-типа при слабом изменении стехиометрии, получение материала с прямой и непрямой запрещенной зоной, создание уровней в запрещенной зоне, инженерия электрон-электронного взаимодействия.

Получение углеродных нанотрубок

Развитие методов синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) шло по пути снижения температур синтеза. После создания технологии получения фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры . Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), первым идентифицировал эти структуры как нанотрубки. К высокотемпературным методам получения УНТ относится электродуговой метод. Если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные УНТ с диаметром 15-20 нм и длиной более 1 мкм.

Формирование УНТ из фуллереновой сажи при высокотемпературном тепловом воздействии на сажу впервые наблюдали Оксфордская и Швейцарская группы. Установка для электродугового синтеза металлоемка, энергозатратна, но универсальна для получения различных типов углеродных наноматериалов. Существенной проблемой является неравновесность процесса при горении дуги. Электродуговой метод в своё время пришел на смену метода лазерного испарения (абляции) лучом лазера. Установка для абляции представляет собой обычную печь с резистивным нагревом, дающую температуру 1200°С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на неё лазерный луч, попеременно сканируя всю поверхность мишени. Так группа Смолли, используя дорогостоящие установки с короткоимпульсным лазером, получила в 1995 г. нанотрубки, «значительно упростив» технологию их синтеза.

Однако, выход УНТ оставался низким. Введение в графит небольших добавок никеля и кобальта (по 0.5 ат.%) позволило увеличить выход УНТ до 70-90%. С этого момента начался новый этап в представлении о механизме образования нанотрубок. Стало очевидным, что металл является катализатором роста. Так появились первые работы по получению нанотрубок низкотемпературным методом — методом каталитического пиролиза углеводородов (CVD), где в качестве катализатора использовались частицы металла группы железа. Один из вариантов установки по получению нанотрубок и нановолокон CVD методом представляет собой реактор, в который подается инертный газ-носитель, уносящий катализатор и углеводород в зону высоких температур.

Упрощенно механизм роста УНТ заключается в следующем. Углерод, образующийся при термическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла. При достижении высокой концентрации углерода в частице на одной из граней частицы-катализатора происходит энергетически выгодное «выделение» избыточного углерода в виде искаженной полуфуллереновой шапочки. Так зарождается нанотрубка. Разложившийся углерод продолжает поступать в частицу катализатора, и для сброса избытка его концентрации в расплаве нужно постоянно избавляться от него. Поднимающаяся полусфера (полуфуллерен) с поверхности расплава увлекает за собой растворенный избыточный углерод, атомы которого вне расплава образуют связь С-С, представляющую собой цилиндрический каркас-нанотрубку.

Температура плавления частицы в наноразмерном состоянии зависит от её радиуса. Чем меньше радиус, тем ниже температура плавления, вследствие эффекта Гиббса-Томпсона. Поэтому, наночастицы железа, с размером порядка 10 нм находятся в расплавленном состоянии ниже 600°С. На данный момент осуществлен низкотемпературный синтез УНТ методом каталитического пиролиза ацетилена в присутствии частиц Fe при 550°С. Снижение температуры синтеза имеет и негативные последствия. При более низких температурах получаются УНТ с большим диаметром (около 100 нм) и сильно дефектной структурой типа «бамбук» или «вложенные наноконусы». Полученные материалы состоят только из углерода, но к экстраординарным характеристикам (например, модуль Юнга) наблюдаемым у одностенных углеродных нанотрубок, получаемых методом лазерной абляции или электродуговым синтезом, они даже близко не приближаются.