Вугляродныя нанатрубкі – гэта трубкі малекулярнай школы з графіцізіраванага вугляроду з выдатнымі ўласцівасцямі. Яны з’яўляюцца аднымі з самых вялікіх і моцных валокнаў і маюць адметныя электронныя ўласцівасці, і шмат іншых унікальных характарыстык. Таму яны прыцягнулі велізарны навуковы і прамысловы цікавасць, а таксама тысячы артыкулаў пра нанатрубкі публікуюцца кожны год. Камерцыйныя прымянення досыць павольныя, аднак, першапачаткова з-за цэны высокай прадукцыйнасці нанатрубак высокай якасці.
Гісторыя
У цяперашні час вялікую цікавасць да вугляродным нанатрубкам з’яўляецца прамым вынікам сінтэзу бакмінстэрфуллярэна, С60 і іншых фуллярэнаў у 1985 годзе. Адкрыццё таго, што вуглярод можа ўтвараць стабільныя, спарадкаваныя структуры, выдатныя ад графіту і алмазу, стымулявала даследчыкаў ва ўсім свеце шукаць іншыя новыя формы вугляроду. Новы імпульс пошукаў быў нададзены, калі ў 1990 годзе было паказана, што C60 можа быць выраблены ў простым дуго-выпарнымі апараце, лёгка даступным ва ўсіх лабараторыях. Менавіта падчас прымянення такога апарата японскі навуковец Суміа Ііджыма ў 1991 годзе адкрыў вугляродныя нанатрубкі, звязаныя з фуллярэнам. Трубкі складаліся з, мінімум, двух слаёў, часам больш, і мелі знешні дыяметр ад 3 нм да 30 нм. Яны заўсёды былі зачыненыя з двух рэшт.
Электронная мікрафатаграфія ў якой праходзіць святле некаторых шматслойных нанатрубак паказана на малюнку (злева). У 1993 годзе быў адкрыты новы клас вугляродных нанатрубак з усяго толькі адным пластом. Гэтыя аднаслаёвыя нанатрубкі звычайна ўжо, чым шматслойныя трубкі, з дыяметрам звычайна каля 1-2 нм, і яны больш выгнутыя, чым прамыя. Малюнак справа паказвае некалькі тыповых аднаслаёвых трубак. Хутка было ўстаноўлена, што гэтыя новыя валакна маюць спектр незвычайных уласцівасцяў (гл. ніжэй), і гэта выклікала выбух даследаванняў у сферы вугляродных нанатрубак. Важна адзначыць, што нананумарныя трубкі вугляроду, якія вырабляюцца каталітычны, былі вядомыя за шмат гадоў да адкрыцця Ііджимы. Галоўная прычына, чаму гэтыя раннія трубкі не прыцягвалі шырокай цікавасці ў тым, што яны былі структурна недасканалыя, і таму практычна не мелі цікавых уласцівасцяў. Нядаўнія даследаванні засяродзіліся на паляпшэнні якасці каталітычны вырабляемых нанатрубак.
Структура
Фіксацыя вугляродных нанатрубак – гэта sp2, дзе атам далучаецца да трох суседзяў, як у графіце. Таму трубкі могуць лічыцца згорнутымі ў трубачку лістамі графена (графен – гэта асобны пласт графіту). Ёсць тры розных спосабу, у якіх ліст графена можа быць згорнуты ў трубку, як паказана на дыяграме ніжэй.
Першыя два з іх, вядомыя як «крэсла» (уверсе злева) і «зігзаг» (злева пасярэдзіне) маюць высокую ступень сіметрыі. Тэрміны «крэсла» і «зігзаг» ставяцца да размяшчэння шасьцікутніка вакол перыферыі. Трэці клас трубак, які, на практыцы, самы агульнапрыняты, вядомы як хіральны, азначае, што ён можа існаваць у двузеркальных, звязаных з імі, формах. Прыклад хіральнай нанатрубкі паказаны ў самым нізе злева.
Структуру нанатрубкі можна ўдакладніць вектарам (n,m), які вызначае, як ліст графена згорнуты ў трубку. Гэта можна зразумець, паглядзеўшы на малюнак справа. Каб вырабіць нанатрубкі з індэксамі (6,3), дапусцім, ліст згорнуць так, што атам з паметкай (0,0) накладзены на той, што з паметкай (6,3). Гэта можна ўбачыць на малюнку, што m = 0 для ўсіх трубак «зігзаг», у той час, як n = m для ўсіх трубак «крэсла».
Сінтэз
Метад дугавога выпарэння, які вырабляе нанатрубкі найлепшай якасці, уключае прапусканне току каля 50 амп паміж двума графітнымі электродамі ў атмасферы гелія. Гэта ўплывае на выпарэнне графіту, некаторая частка кандэнсуецца на сценах рэакцыйнага рэзервуара, а некаторая – на катодзе. Гэта ўклад у катод, які змяшчае вугляродныя нанатрубкі. Аднаслаёвыя нанатрубкі вырабляюцца, калі Co і Ni або якой-небудзь іншы метал дадаецца да анода. З 1950-ых, калі не раней, было вядома, што вугляродныя нанатрубкі можна таксама зрабіць у ходзе прапускання газу, які змяшчае вуглярод, такога як вуглевадарод, а не каталізатара. Каталізатар ўтрымлівае метал, звычайна Fe, Co або Ni. Гэтыя часціцы стымулююць распад газападобных малекул ў вуглярод, а затым пачынае расці трубка з часціцай металу на кончыку. У 1996 годзе было паказана, што аднаслаёвыя нанатрубкі могуць вырабляцца каталітычна. Дасканаласць вугляродных нанатрубак, якія вырабляюцца такім чынам, звычайна горш за тых, якія зроблены дугавым выпарэннем, але за апошнія гады былі здзейснены значныя паляпшэнні ў тэхніцы. Вялікая перавага каталітычнага сінтэзу над дугавым выпарэннем ў тым, што ён можа быць павялічаны для масавай вытворчасці. Трэці важны метад стварэння нанатрубак ўключае выкарыстанне магутнага лазера для выпарэння металаграфітавай мэты. Яго можна выкарыстоўваць для вытворчасці аднаслаёвых трубак з вялікай магутнасцю.
Ўласцівасці
Сіла sp2 вуглярод-вугляроднай сувязі дае вугляродным нанатрубкам дзіўныя механічныя ўласцівасці. Велічыня матэрыялу вымяраецца ва ўмовах свайго модуля Юнга, узровень змяненняў ціску з ужывальнай напругай. Модуль Юнга найлепшых нанотрубок можа быць высокі, напрыклад, 1000Гпа, што, прыкладна, у 5 разоў вышэй, чым сталь. Мяжа трываласці, або разбуральная дэфармацыя нанатрубак, можа даходзіць да 63Гпа, прыкладна ў 50 разоў вышэй, чым у сталі. Гэтыя якасці, злучаныя з лёгкасцю вугляродных нанотрубок, даюць ім велізарны патэнцыял у такой сферы прымянення, як паветраная і касмічная прастора. Было таксама прапанавана, што нанатрубкі могуць быць выкарыстаны ў «касмічным ліфце», — кабель «Зямля-космас» упершыню быў прапанаваны Артурам С. Кларкам. Электрычныя ўласцівасці вугляродных нанатрубак таксама незвычайныя. Асабліва характэрны факт, што нанатрубкі могуць быць металічнымі або паўправадніковымі, у залежнасці ад іх структуры. Такім чынам, некаторыя нанатрубкі маюць праводнасць вышэй, чым у медзі, а іншыя вядуць сябе больш, як сілікон. Існуе вялікі інтарэс у магчымасці канструявання нанаметрычных электронных дэвайсаў з нанатрубак, і некаторыя вынікі ўжо атрыманы ў гэтай сферы. Аднак, для таго, каб сканструяваць карысны девайс, нам спатрэбіцца сабраць шмат тысяч нанатрубак ў пэўную схему, а ў нас пакуль што няма неабходнай ступені кіравання, каб дасягнуць гэтага. Ёсць некалькі сфер тэхналогіі, дзе вугляродныя трубкі ўжо выкарыстоўваюцца. У іх уваходзяць плоскія экраны, СЗМы і сэнсарныя девайсы. Унікальныя ўласцівасці вугляродных нанатрубак без сумнення прывядуць да яшчэ вялікіз сфер прымянення.
Нанарожкі
Аднаслаёвыя вугляродныя конусы з марфалогіяй, падобнай на склад нанатрубак, былі ўпершыню падрыхтаваны Пітэрам Харысам, Эдманом Тсангом і іх калегамі ў 1994 (націсніце тут, каб убачыць нашу працу). Яны былі зроблены пад высокай тэмпературай тэрмічных апрацовак фуллярэнавай сажы – націсніце тут, каб убачыць стандартны малюнак. Група Суміа Іідзімы пасля паказала, што іх таксама можна вырабляць лазерным выпальваннем графіту, і дала ім імя «нанарожкі». Гэтая група прадэманстравала, што нанарожкі маюць адметныя адсарбцыйныя і каталітычныя ўласцівасці.
Добавить комментарий