Transcript структура
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Или ТУБУЛЕНЫ СТРУКТУРА Углеродные нанотрубки (тубулены) — это протяжённые цилиндрические струк туры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров[1], состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовыхплоскост ей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена [2]. ОТКРЫТИЕ НАНОТРУБОК. • • Как известно, фуллерен (C60) был открыт группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 г.[8], за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многостенных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. [9], существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. [10] опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. Группа ученых Института катализа СО АН СССР в 1977 году при изучении зауглероживания железохромовых катализаторов дегидрирования под микроскопом зарегистрировали образование "пустотелых углеродных дендритов"[11], при этом был предложен механизм образования и описано строение стенок. В 1992 в Nature [12] была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича [13] сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены. Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе [14] химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и др.[15], вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования одностенных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости[16]. ПОЛУЧЕНИЕ Развитие методов синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) шло по пути снижения температур синтеза. После создания технологии получения фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом распылении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры [1]. Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) первым идентифицировал эти структуры, как нанотрубки. К высокотемпературным методам получения УНТ относятся электродуговой метод. Если испарить графитовый электрод при температуре дуги, в саже (депозит) образуются УНТ. Тот же эффект проявляется при термической обработке фуллереновой сажи. Высокотемпературные тепловые воздействия на фуллереновую сажу впервые осуществили Оксфордская [2] и Швейцарская группы [3]. Установка для получения дуги металлоемка, энергозатратна. В дополнение к этому, существенной проблемой является неустойчивость горения дуги. Решение этих проблем привело к методу лазерного испарения (абляции) лазерным или электронным лучом. Громоздкая установка электродугового синтеза заменена на обычную печь с резистивным нагревом, дающая температуру 1200С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на нее лазерный луч. Т.о. группа Смолли получила в 1995 г. нанотрубки, значительно упростив технологию их синтеза [4]. Однако, выход УНТ оставался низким. Введение в графит небольших добавок металлов (~0.5%) позволило увеличить выход УНТ свыше 90% [5]. 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 расплавленные частицы металла. Установка по получению нанотруб CVD методом представляет собой, печь (реактор), в который подается инертный газ-носитель, уносящий катализатор и углеводород в зону высоких температур. Образующийся углерод при термическом разложении углеводорода растворяется в наночастице. При достижении высокой концентрации в ней, ему энергетический выгодно выделится на ее раплавленной поверхности в виде искаженной графеновой плоскости-полуфулереновой 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 ее радиуса. Чем меньше радиус, тем ниже температура плавления, вследствие эффекта Гиббса-Томпсона [6]. Поэтому, наночастицы железа, с размером порядка 10 нанометров находятся в расплавленном состоянии ниже 600С. Это наводит на мысль, что УНТ можно получать при более низких температурах. На данный момент осуществлен низкотемпературный синтез УНТ методом каталитического пиролиза ацетилена в присутствии частиц Fe при 550С. РЕАКТОР ДЛЯ СИНТЕЗА ТУБУЛЕНОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ • в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы. ПРИМЕНЕНИЕ • В качестве оптических дисплеев, светодиодов. КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ; КАЧЕСТВЕ ТРОСА • • • • • • • Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 гигапаскалей. Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем ее компоненты. Исследования по улучшению чистоты материала трубок и по созданию разных их видов продолжаются. В большинстве проектов космического лифта применяются однослойные нанотрубки. У многослойных выше прочность, но они тяжелее, и их отношение прочности к плотности ниже. Возможный вариант — использовать соединение однослойных нанотрубок под высоким давлением. При этом хотя и теряется прочность из-за замещения sp²-связи (графит, нанотрубки) на sp³-связь (алмаз), они будут лучше удерживаться в одном волокне силами Ван-дер-Ваальса и дадут возможность производить волокна произвольной длины.[источник не указан 674 дня] Дефекты кристаллической решётки снижают прочность нанотрубок В эксперименте учёных из Университета Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 — кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм.[4] Технология плетения таких волокон ещё только зарождается. По заявлениям некоторых учёных[5], даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно ТАК ДОЛЖЕН ВЫГЛЯДЕТЬ ЛИФТ: ТОКСИЧНОСТЬ. • • • Токсичность нанотрубок Результаты экспериментов, проведённых в последние годы, показали, что длинные многостенные углеродные нанотрубки (МНТ) могут вызвать отклик, аналогичный асбестовым волокнам. У людей, занятых на добыче и переработке асбеста, вероятность возникновения опухолей и рака лёгких в несколько раз больше, чем у основного населения. Канцерогенность волокон разных видов асбеста весьма различна и зависит от диаметра и типа волокон. Благодаря своему малому весу и размерам, углеродные нанотрубки проникают в дыхательные пути вместе с воздухом. В итоге они концентрируются в плевре. Мелкие частицы и короткие нанотрубки выходят через поры в грудной стенке (диаметр 3-8 мкм), а длинные нанотрубки могут задерживаться и со временем вызвать патологические изменения. Сравнительные эксперименты по добавке одностенных углеродных нанотрубок (ОНТ) в пищу мышей показали отсутствие заметной реакции последних в случае нанотрубок с длиной порядка микрон. Тогда как использование укороченных ОНТ с длиной 200-500 нм приводило к «впиванию» нанотрубок-игл в стенки желудка. • Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные[19] • Орнитоптер - аппарат с машущими крыльями и с мускульным приводом впервые в мире пролетел аж 145 метров В 1485 году великий Леонардо да Винчи начертил орнитоптер - аппарат с машущими крыльями и с мускульным приводом. То есть подал идею. И, похоже, верил, что человек способен летать, словно птица. Получается, что не ошибся. Спустя 525 лет идею воплотили молодые канадские энтузиасты из аэрокосмического института университета Торонто. Хотя, конечно же, не пользовались древними чертежами. СБЫЛАСЬ МЕЧТА ЛЕОНАРДО: • Аппарат под названием Snowbird построен из легчайших углеродных материалов и бальзы. Размах крыльев - более 30 метров. Как у Боинга-737. • Пропеллеров нет. "Лайнер" держится в воздухе и летит за счет взмахов крыльями, которые ходят вверх-вниз, изгибаются, меняя угол атаки. Двигатель - человек, который крутит педали. И приводит в движение особые тросы. А они уже передают усилия на крылья. • Ученые создали эластичный материал из углеродных нанот рубок, сохраняющий свои механические свойства в широком диапазоне температур - от минус 200 до плюс 1000 градусов Цельсия. Это значит,что можно строить плотины , развивать криогенетику,и,в принципе,многое другое…. • К сожалению, для частного применения данный материал,мало того,что токсичен,но и довольно дорог: современные технологии в частные руки обойдутся в ~ 500 USD за 1 грамм. • Химики из Китая разработали прочный губкообразный материал из углеродныхна нотрубок, который может применяться для очистки нефти и нефтепродуктов: Что-то в этом роде….. • Учёные нашли также способ протезирования с помощью ЭНТ : • На их основе создаются искуственные мышцы:При приложении напряжения к аэрогельному листу, нанотрубки начинают отталкиваться друг от друга, что создает эффект работы мышцы. МЫШЦЫ • Также на основе молекулы ДНК и ЭНТ создаются методики выращивания и протезирования органов. При этом очень важно иметь материалы,близкие к природным, и ,хоть данные органы по сути являются полусинтетическими, но, всё таки, • Компромиссный вариант был найден. (включается также МОЗГОВОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ)