Углеродные нанотрубки, их производство, свойства и применение.
Углеродные нанотрубки – это углеродная модификация углерода, представляющая собой полые цилиндрические структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.
Описание углеродных нанотрубок
Виды и классификация углеродных нанотрубок
Свойства и преимущества углеродных нанотрубок
Физические свойства углеродных нанотрубок
Получение углеродных нанотрубок
Применение углеродных нанотрубок
Другие формы углерода: графен, усиленный – арматурный графен, карбин, алмаз, фуллерен, углеродные нанотрубки, “вискерсы”.
Описание углеродных нанотрубок:
Углеродные нанотрубки (англ. carbon nanotube, CNT) – это углеродная модификация углерода, представляющая собой полые цилиндрические структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.
Углеродные нанотрубки являются одной из аллотропных форм углерода наряду с алмазом, графитом, графеном, фуллереном, карбином и пр.
Если смотреть на углеродную нанотрубку в микроскоп с увеличением в миллион раз, то можно наблюдать полый цилиндр, поверхность которого формируется множеством шестиугольных многоугольников. На самой вершине равностороннего многоугольника располагается атом углерода. Углеродная нанотрубка визуально напоминает лист бумаги свернутый в трубку, только вместо бумажной поверхности следует рассматривать графитовую (точнее – графеновую) плоскость. В научной среде цилиндрическую плоскость трубки принято называть графеновой. Толщина графеновой плоскости не превышает один атом углерода.
Длина углеродной нанотрубки может достигать до нескольких сантиметров. Некоторым ученым удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной 20 см. Для получения более длинных структур их можно сплести в нити неограниченной длины.
Физические свойства нанотрубок пребывают в прямой зависимости от хиральности (особенность мельчайших частиц вещества не накладываться полностью на свое зеркальное отображение). Степень хиральности определяется зависимостью, существующей между специальными индексами хиральности (n, m) и неким углом сворачивания трубки (α).
Индексы хиральности (n, m) при этом являются координатами радиус-вектора R в заданной на графеновой плоскости косоугольной системе координат, определяющего ориентацию оси трубки относительно графеновой плоскости и ее диаметр. Индексы (n, m) указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания трубки должен совпасть с шестиугольником в начале координат.
Виды и классификация углеродных нанотрубок:
В зависимости от индексов хиральности различают: прямые, зубчатые, зигзагообразные и спиральные углеродные нанотрубки.
По количеству графеновых слоев углеродные нанотрубки делятся на однослойные (одностенные) и многослойные (многостенные).
Наиболее простой вид нанотрубок содержит один слой. Диаметр однослойных нанотрубок может составлять один нанометр, длина – превышать предыдущий вариант в тысячи раз. Однослойную нанотрубку нередко отождествляют с «выкройкой» графена, имеющей сеточную структуру и состоящую из бесчисленного множества правильных многоугольников.
Многослойные нанотрубки содержат несколько слоев графена. Они характеризуются широким разнообразием форм и конфигураций. Причем разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Здесь выделяются следующие типы:
– нанотрубки в виде совокупности коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок, т.н. тип «русская матрёшка» (russian dolls),
– нанотрубки в виде совокупности вложенных друг в друга коаксиальных (шестигранных) призм,
– нанотрубки в виде свитка (scroll).
Расстояние между соседними графеновыми слоями составляет 0,34 нм, как в обычном графите.
По типу торцов углеродные нанотрубки бывают:
– открытые,
– закрытые (заканчивающиеся полусферой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена).
По электронным свойствам углеродные нанотрубки делятся на:
– металлические. Разность индексов хиральности (n – m) делится на 3 либо индексы равны между собой,
– полупроводниковые. Прочие значения индексов хиральности (n и m).
Тип проводимости нанотрубок зависит от их хиральности, т.е. от группы симметрии, к которым принадлежит конкретная нанотрубка, причем он подчиняется простому правилу: если индексы нанотрубки равны между собой или же их разность делится на три, нанотрубка является полуметаллом, в любом другом случае они проявляют полупроводниковые свойства.
Свойства и преимущества углеродных нанотрубок:
– обладают адсорбционными свойствами. Могут хранить в себе различные газы, например, водород. Попав внутрь атомы и молекулы уже не могут выйти наружу, т.к. концы трубки запаиваются, а пройти через графеновые плоскости цилиндра они не могут, т.к. углеродные решетки слишком узки для большинства атомов,
– обладают капиллярным эффектом. Углеродные нанотрубки открытым концом втягивают в себя жидкие вещества и расплавленные металлы,
– улучшение эксплуатационных характеристик других материалов при добавлении в их структуру,
– высокая прочность. Углеродные нанотрубки прочнее лучших марок стали в 50-100 раз,
– имеют в шесть раз меньшую плотность, чем обыкновенная сталь. Это означает, что материалы на основе углеродных нанотрубок при одинаковом объеме будут в десятки раз прочнее. Нанокабель длиной от Земли до Луны, состоящий из одной углеродной нанотрубки, можно намотать на катушку размером с маковое зернышко,
– модуль Юнга у углеродных нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон,
– небольшая нить из углеродных нанотрубок диаметром 1 мм выдерживает груз весом 20 тонн, что в сотни миллиардов раз больше ее собственной массы,
– высокая огнестойкость,
– рекордно высокая удельная поверхность – до 2 600 м2/г,
– высокая гибкость. Их можно растягивать, сжимать, скручивать и пр., не опасаясь при этом повредить их каким-либо образом. Они напоминают жесткие резиновые трубки, которые не рвутся и не ломаются при различных механических нагрузках. Однако под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не только не рвутся и не ломаются, а просто перестраиваются, сохраняя при этом высокую прочность, гибкость, прочие механические и электрические свойства,
– высокая устойчивость к изнашиваемости. Многоразовая деформация (тысячи и десятки тысяч циклов скручивания/раскручивания, сжатия/растяжения в минуту) нанотрубок никаким образом не влияет на их прочность, на их электро- и теплопроводность. Какие-либо признаки деформации либо износа при этом отсутствуют,
– повышенная электро- и теплопроводность. Проводимость меди, как лучшего металлического проводника таблицы Д.И. Менделеева, в 1000 раз хуже, чем у углеродных нанотрубок. При этом, электропроводность трубок зависит от индекса хиральности. В одних случаях нанотрубки могут быть полупроводниками, в других проявлять свойства практически идеальных проводников. В последнем случае через нанотрубки можно пропускать электрический ток величиной 107 А/см2 и при этом они не будут выделять тепло (в то время как обычный проводник из меди сразу бы испарился),
– взаимная связь между электрическими и механическими свойствами,
– токсичность и канцерогенность, аналогичная асбестовым волокнам. Вместе с тем токчичность и канцерогенность нанотрубок (как и волокон асбеста) весьма различна и зависит от диаметра и типа волокон. На сегодняшний день продолжаются исследования по вопросу биологической совместимости нанотрубок с живыми организмами. Во всяком случае при работе с нанотрубками следует соблюдать меры безопасности, и в первую очередь обеспечить защиты органов дыхания и органов пищеварения,
– проявляют мемристорный эффект,
– занимают промежуточное положение между кристаллами и отдельными атомами. Поэтому применение углеродных нанотрубок будет способствовать миниатюризации устройств,
– с помощью углеродных нанотрубок можно создавать полупроводниковые гетероструктуры, т.е. структуры типа «металл/полупроводник» или стык двух разных полупроводников,
– обладая повышенной теплопроводностью, эффективно рассеивают тепло,
– ловят радиоволны частотой от 40 до 400 МГц (обычные АМ и FМ волны), а затем усиливают и передают их,
– гидрофобны. Отталкивают воду.
Физические свойства углеродных нанотрубок:
| Наименование показателя: | Значение: |
| Удельная площадь поверхности, м2/г | до 2 600 |
Получение углеродных нанотрубок:
К наиболее эффективным методам синтеза нанотрубок относятся:
– лазерная абляция,
– дуговая сварка,
– химическое осаждение подложки из газовой среды под действием катализатора при температуре 700°С (CVD).
– термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда в атмосфере гелия.
Однако в результате данных методов получается смесь самых различных углеродных нанотрубок: многостенных и одностенных, с различными диаметрами, с различными индексами хиральности и соответственно с различными свойствами. Поэтому возникает серьезная техническая проблема выделения нанотрубок с заданными параметрами.
Применение углеродных нанотрубок:
– микроэлектроника,
– ионисторы (ультраконденсаторы, суперконденсаторы),
– технический текстиль,
– высокопрочные волокна, нити,
– радиопоглощающие покрытия,
– автомобильные детали,
– зонды для атомно-силового микроскопа,
– элементы питания длительного срока эксплуатации,
– структурные композитные материалы с улучшенными эксплуатационными характеристиками,
– противообрастающие краски (для защиты подводных частей суден),
– газовые биосенсоры,
– проводящие пластмассы,
– плоские дисплеи,
– искусственные мышцы. Искусственная мышца из скрученных нитей углеродных нанотрубок с добавлением парафина в 85 раз сильнее человеческой,
– и др.
композит проект углеродные нанотрубки применение реферат презентация статья купить синтез в медицине прочность формула определение унт электропроводность характеристики цена введение стоимость
нанотрубки углеродные материалы в строительстве
получение реакции замещения производители типы открытие механические свойства и применение плотность изучение свойств размеры функционализация производство структура методы способы получения углеродных нанотрубок
многослойные многостенные углеродные нанотрубки
как сделать углеродную нанотрубку