Sifat dan aplikasi tabung nano karbon. Tabung nano karbon: jenis dan aplikasi

http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/135.html
Banyak bidang yang menjanjikan dalam ilmu material, nanoteknologi, nanoelektronik, dan kimia terapan baru-baru ini dikaitkan dengan fullerene, nanotube, dan struktur serupa lainnya yang disebut istilah umum struktur rangka karbon. Apa ini?
Struktur kerangka karbon adalah molekul besar (dan terkadang raksasa!) yang seluruhnya terbuat dari atom karbon. Bahkan dapat dikatakan bahwa struktur kerangka karbon adalah bentuk karbon alotropik baru (selain bentuk karbon yang sudah lama dikenal: intan dan grafit). Fitur utama Molekul-molekul ini adalah bentuk kerangkanya: mereka terlihat seperti “cangkang” yang tertutup dan kosong di dalamnya.
Yang terakhir, variasi aplikasi yang telah ditemukan untuk nanotube sangatlah menakjubkan. Hal pertama yang disarankan adalah penggunaan nanotube sebagai batang dan benang mikroskopis yang sangat kuat. Seperti yang ditunjukkan oleh hasil eksperimen dan pemodelan numerik, modulus Young dari nanotube berdinding tunggal mencapai nilai sekitar 1-5 TPa, yang merupakan urutan besarnya lebih besar daripada baja! Benar, saat ini panjang maksimum nanotube adalah puluhan dan ratusan mikron - yang tentu saja sangat besar pada skala atom, tetapi terlalu pendek untuk penggunaan sehari-hari. Namun, panjang nanotube yang diperoleh di laboratorium secara bertahap meningkat - sekarang para ilmuwan telah mendekati tanda milimeter: lihat karya yang menjelaskan sintesis nanotube berdinding banyak dengan panjang 2 mm. Oleh karena itu, ada banyak alasan untuk berharap bahwa dalam waktu dekat para ilmuwan akan belajar menumbuhkan tabung nano sepanjang sentimeter dan bahkan meter! Tentu saja, hal ini akan sangat mempengaruhi teknologi masa depan: lagi pula, “kabel” setebal rambut manusia, yang mampu menahan beban ratusan kilogram, akan banyak digunakan.
Sifat listrik yang tidak biasa dari nanotube akan menjadikannya salah satu bahan utama nanoelektronik. Prototipe transistor efek medan berdasarkan nanotube tunggal telah dibuat: dengan menerapkan tegangan pemblokiran beberapa volt, para ilmuwan telah belajar untuk mengubah konduktivitas nanotube berdinding tunggal sebesar 5 kali lipat!
Beberapa aplikasi nanotube telah dikembangkan di industri komputer. Misalnya, prototipe layar datar tipis yang beroperasi pada matriks tabung nano telah dibuat dan diuji. Di bawah pengaruh tegangan yang diterapkan ke salah satu ujung tabung nano, elektron mulai dipancarkan dari ujung lainnya, yang jatuh pada layar berpendar dan menyebabkan piksel bersinar. Butir gambar yang dihasilkan akan sangat kecil: sekitar satu mikron!

http://brd.dorms.spbu.ru/nanotech/print.php?sid=44
Upaya untuk memotret nanotube menggunakan kamera konvensional dengan flash mengakibatkan blok nanotube menghasilkan ledakan keras dalam cahaya flash dan, berkedip terang, meledak.
Para ilmuwan yang terkejut mengklaim bahwa fenomena “daya ledak” tabung yang ditemukan secara tak terduga dapat menemukan penerapan baru yang sama sekali tidak terduga untuk bahan ini - bahkan menggunakannya sebagai detonator untuk meledakkan hulu ledak. Dan juga tentunya akan menimbulkan pertanyaan atau mempersulit penggunaannya di area tertentu.

http://www.sciteclibrary.com/rus/catalog/pages/2654.html
Prospeknya terbuka untuk perpanjangan masa pakai baterai yang dapat diisi ulang secara signifikan

http://vivovoco.nns.ru/VV/JOURNAL/VRAN/SESSION/NANO1.HTM
Struktur tabung nano karbon - materi baru untuk elektronik emisi.

http://www.gazetangn.narod.ru/archive/ngn0221/space.html
Pada tahun 1996, ditemukan bahwa masing-masing tabung nano karbon dapat secara spontan dipelintir menjadi tali yang terdiri dari 100-500 tabung serat, dan kekuatan tali ini ternyata lebih besar daripada kekuatan berlian. Lebih tepatnya, mereka 10-12 kali lebih kuat dan 6 kali lebih ringan dari baja. Bayangkan saja: seutas benang berdiameter 1 milimeter mampu menahan beban seberat 20 ton, yang ratusan miliar kali lebih besar dari beratnya sendiri! Dari utas inilah Anda bisa mendapatkan kabel super kuat dengan panjang yang sangat besar. Dari bahan yang sama ringan dan tahan lama, Anda dapat membangun kerangka elevator - menara raksasa yang diameternya tiga kali lipat bumi. Kabin penumpang dan kargo akan melaju dengan kecepatan luar biasa - berkat magnet superkonduktor, yang, sekali lagi, akan digantung pada tali yang terbuat dari tabung nano karbon. Aliran kargo yang sangat besar ke luar angkasa akan memungkinkan kita untuk memulai eksplorasi aktif di planet lain.
Jika ada yang tertarik dengan proyek ini, detailnya (dalam bahasa Rusia) dapat ditemukan, misalnya, di situs web http://private.peterlink.ru/geogod/space/future.htm. Hanya saja tidak ada sepatah kata pun tentang tabung karbon.
Dan di http://www.eunet.lv/library/win/KLARK/fontany.txt Anda dapat membaca novel Arthur C. Clarke “The Fountains of Paradise,” yang dia sendiri anggap sebagai karya terbaiknya.

http://www.inauka.ru/science/28-08-01/article4805
Menurut para ahli, nanoteknologi akan memungkinkan pada tahun 2007 terciptanya mikroprosesor yang berisi sekitar 1 miliar transistor dan mampu beroperasi pada frekuensi hingga 20 gigahertz dengan tegangan suplai kurang dari 1 volt.

Transistor tabung nano
Transistor pertama yang seluruhnya terdiri dari tabung nano karbon telah dibuat. Hal ini membuka prospek penggantian chip silikon konvensional dengan komponen yang lebih cepat, lebih murah, dan lebih kecil.
Transistor nanotube pertama di dunia adalah nanotube berbentuk Y yang berperilaku seperti transistor konvensional - potensi yang diterapkan pada salah satu "kaki" memungkinkan Anda mengontrol aliran arus antara dua kaki lainnya. Pada saat yang sama, karakteristik arus-tegangan dari “transistor nanotube” hampir ideal: arus mengalir atau tidak.

http://www.pool.kiev.ua/clients/poolhome.nsf/0/a95ad844a57c1236c2256bc6003dfba8?OpenDocument
Menurut sebuah artikel yang diterbitkan pada 20 Mei di jurnal ilmiah Surat Fisika Terapan, spesialis IBM telah meningkatkan transistor tabung nano karbon. Sebagai hasil percobaan dengan berbagai struktur molekul, para peneliti mampu mencapai konduktivitas tertinggi untuk transistor tabung nano karbon hingga saat ini. Semakin tinggi konduktivitasnya, semakin cepat transistor beroperasi dan semakin kuat sirkuit terintegrasi yang dapat dibangun berdasarkan transistor tersebut. Selain itu, para peneliti menemukan bahwa konduktivitas transistor karbon nanotube lebih dari dua kali lipat dibandingkan transistor silikon tercepat dengan ukuran yang sama.

http://kv.by/index2003323401.htm
Kelompok profesor UC Berkeley Alex Zettl telah membuat terobosan lain di bidang nanoteknologi. Para ilmuwan telah menciptakan motor skala nano terkecil pertama berdasarkan nanotube berdinding banyak, seperti yang dilaporkan dalam jurnal Nature pada 24 Juli. Tabung nano karbon bertindak sebagai semacam sumbu tempat rotor dipasang. Dimensi maksimum Motor nano berukuran sekitar 500 nm, rotor memiliki panjang 100 hingga 300 nm, tetapi sumbu tabung nano hanya memiliki diameter beberapa atom, yaitu. sekitar 5-10nm.

http://www.computerra.ru/hitech/tech/26393/
Suatu hari, perusahaan Boston Nantero membuat pernyataan tentang pengembangan papan memori tipe baru yang mendasar, yang dibuat berdasarkan nanoteknologi. Nantero Inc. secara aktif terlibat dalam pengembangan teknologi baru, khususnya, memberikan perhatian besar dalam mencari cara untuk menciptakan kemandirian energi RAM(RAM) berdasarkan karbon nanotube. Dalam pidatonya, perwakilan perusahaan mengumumkan bahwa mereka selangkah lagi untuk membuat papan memori berkapasitas 10 GB. Karena struktur perangkat didasarkan pada nanotube, memori baru diusulkan untuk disebut NRAM (Nonvolatile (non-volatile) RAM).

http://www.ixs.nm.ru/nan0.htm
Salah satu hasil penelitiannya adalah penggunaan praktis sifat luar biasa dari nanotube untuk mengukur massa partikel yang sangat kecil. Ketika partikel yang ditimbang ditempatkan di ujung nanotube, frekuensi resonansi berkurang. Jika nanotube dikalibrasi (yaitu elastisitasnya diketahui), massa partikel dapat ditentukan dari pergeseran frekuensi resonansi.

http://www.mediacenter.ru/a74.phtml
Di antara aplikasi komersial pertama adalah penambahan nanotube pada cat atau plastik untuk membuat bahan ini konduktif secara elektrik. Ini akan memungkinkan penggantian bagian logam dengan bagian polimer di beberapa produk.
Karbon nanotube adalah bahan yang mahal. CNI saat ini menjualnya seharga $500 per gram. Selain itu, teknologi untuk memurnikan tabung nano karbon—memisahkan tabung yang baik dari yang buruk—dan cara memasukkan tabung nano ke dalam produk lain memerlukan perbaikan. Menyelesaikan beberapa masalah mungkin memerlukan penemuan setingkat Nobel, kata Joshua Wolf, mitra pengelola di perusahaan modal ventura nanoteknologi Lux Capital.

Para peneliti menjadi tertarik pada tabung nano karbon karena konduktivitas listriknya yang lebih tinggi dibandingkan konduktor mana pun yang diketahui. Mereka juga memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, stabil secara kimia, memiliki kekuatan mekanik yang ekstrim (1000 kali lebih kuat dari baja) dan, yang paling menakjubkan, memperoleh sifat semikonduktor ketika dipelintir atau ditekuk. Untuk bekerja, mereka dibentuk menjadi cincin. Sifat elektronik tabung nano karbon dapat seperti logam atau semikonduktor (tergantung pada orientasi poligon karbon relatif terhadap sumbu tabung), yaitu. tergantung pada ukuran dan bentuknya.

http://www.ci.ru/inform09_01/p04predel.htm
Tabung nano konduktif logam dapat menahan kepadatan arus 102-103 kali lebih tinggi daripada logam konvensional, dan tabung nano semikonduktor dapat dihidupkan dan dimatikan secara elektrik melalui medan yang dihasilkan oleh elektroda, memungkinkan terciptanya transistor efek medan.
Ilmuwan IBM mengembangkan metode yang disebut "penghancuran konstruktif" yang memungkinkan mereka menghancurkan semua nanotube logam sambil membiarkan semikonduktor tetap utuh.

http://www.pr.kg/articles/n0111/19-sci.htm
Tabung nano karbon telah menemukan aplikasi lain dalam perjuangan untuk kesehatan manusia - kali ini, ilmuwan Tiongkok menggunakan tabung nano untuk memurnikan air minum dari timbal.

http://www.scientific.ru/journal/news/n030102.html
Kami sering menulis tentang tabung nano karbon, namun sebenarnya ada jenis tabung nano lain yang terbuat dari berbagai bahan semikonduktor. Para ilmuwan mampu menumbuhkan nanotube dengan ketebalan, diameter, dan panjang dinding yang ditentukan secara tepat.
Nanotube dapat digunakan sebagai nanotube untuk mengangkut cairan, dan juga dapat berfungsi sebagai ujung jarum suntik dengan jumlah nanodroplet yang dikontrol secara tepat. Nanotube dapat digunakan sebagai bor nano, pinset nano, dan tip untuk memindai mikroskop terowongan. Nanotube dengan dinding cukup tebal dan diameter kecil dapat berfungsi sebagai penyangga benda nano, sedangkan nanotube dengan diameter besar dan dinding tipis dapat berfungsi sebagai wadah nano dan kapsul nano. Nanotube yang terbuat dari senyawa berbasis silikon, termasuk silikon karbida, sangat baik untuk membuat produk mekanis karena bahan tersebut kuat dan elastis. Nanotube solid-state juga dapat diterapkan dalam bidang elektronik.

http://www.compulenta.ru/2003/5/12/39363/
Divisi penelitian IBM Corporation mengumumkan pencapaian penting di bidang nanoteknologi. Spesialis Penelitian IBM berhasil membuat tabung nano karbon bersinar, bahan yang sangat menjanjikan yang mendasari banyak perkembangan nanoteknologi di seluruh dunia.
Nanotube pemancar cahaya ini memiliki diameter hanya 1,4 nm, yaitu 50 ribu kali lebih tipis dari rambut manusia. Ini adalah perangkat pemancar cahaya solid-state terkecil dalam sejarah. Penciptaannya merupakan hasil dari program yang mempelajari sifat listrik tabung nano karbon yang dilakukan di IBM selama beberapa tahun terakhir.

http://bunburyodo.narod.ru/chem/solom.htm
Selain pembuatan kawat nano logam yang telah disebutkan di atas, yang masih sangat jauh dari realisasi, pengembangan apa yang disebut penghasil emisi dingin pada tabung nano juga populer. Pemancar dingin adalah elemen kunci TV layar datar masa depan, menggantikan pemancar panas modern tabung sinar katoda, selain itu, mereka memungkinkan Anda menghilangkan tegangan percepatan 20-30 kV yang sangat besar dan tidak aman. Pada suhu kamar nanotube mampu memancarkan elektron, menghasilkan arus dengan kepadatan yang sama dengan anoda tungsten standar pada hampir seribu derajat, dan bahkan pada tegangan hanya 500 V. (Dan untuk menghasilkan sinar-X Anda memerlukan puluhan kilovolt dan suhu dari 1500 derajat (nan))

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/742.html
Modulus elastis yang tinggi dari tabung nano karbon memungkinkan terciptanya material komposit yang memberikan kekuatan tinggi pada deformasi elastis yang sangat tinggi. Dari bahan tersebut dimungkinkan untuk membuat kain yang sangat ringan dan sangat kuat untuk petugas pemadam kebakaran dan astronot.
Luas permukaan spesifik material nanotube yang tinggi menarik untuk banyak aplikasi teknologi. Selama proses pertumbuhan, nanotube heliks yang berorientasi acak terbentuk, yang mengarah pada pembentukan sejumlah besar rongga dan rongga berukuran nanometer. Hasilnya, luas permukaan spesifik material nanotube mencapai nilai sekitar 600 m2/g. Luas permukaan spesifik yang tinggi membuka kemungkinan penggunaannya dalam filter dan perangkat teknologi kimia lainnya.

http://www.1september.ru/ru/him/2001/09/no09_1.htm
Sebuah kabel nano dari Bumi ke Bulan dari satu tabung dapat digulung pada gulungan seukuran biji poppy.
Nanotube 50-100 kali lebih kuat dari baja (walaupun nanotube enam kali lebih padat). Modulus Young - karakteristik ketahanan material terhadap tegangan aksial dan kompresi - rata-rata dua kali lebih tinggi untuk nanotube dibandingkan serat karbon. Tabung tersebut tidak hanya tahan lama, tetapi juga fleksibel; perilakunya tidak menyerupai sedotan yang rapuh, tetapi tabung karet yang keras.
Sebuah benang dengan diameter 1 mm, terdiri dari nanotube, dapat menahan beban 20 ton, yang merupakan beberapa ratus miliar kali massanya sendiri.
Sekelompok ilmuwan internasional telah menunjukkan bahwa nanotube dapat digunakan untuk membuat otot buatan, yang, dengan volume yang sama, bisa tiga kali lebih kuat dari otot biologis, dan tidak takut pada suhu tinggi, ruang hampa, dan banyak reagen kimia.
tabung nano - bahan yang sempurna untuk penyimpanan gas yang aman di rongga internal. Pertama-tama, ini berlaku untuk hidrogen, yang telah lama digunakan sebagai bahan bakar mobil, jika silinder penyimpanan hidrogen yang besar, berdinding tebal, berat, dan tidak aman tidak menghilangkan keunggulan utama hidrogen - jumlah besar energi dan dilepaskan per satuan massa (untuk perjalanan kendaraan sejauh 500 km, hanya dibutuhkan sekitar 3 kg H2). “Tangki bensin” dengan tabung nano dapat diisi secara diam-diam di bawah tekanan, dan bahan bakar dapat dihilangkan dengan sedikit memanaskan “tangki bensin”. Untuk melampaui yang biasa tabung gas sesuai dengan kepadatan massa dan volume energi yang tersimpan dan (massa hidrogen dibagi massa bersama dengan cangkang atau volumenya bersama dengan cangkang), tabung nano dengan rongga dibutuhkan secara relatif berdiameter besar- lebih dari 2-3 nm.
Ahli biologi mampu memasukkan protein kecil dan molekul DNA ke dalam rongga nanotube. Ini adalah metode untuk memproduksi katalis jenis baru dan, di masa depan, metode untuk mengirimkan molekul dan obat yang aktif secara biologis ke organ tertentu.

Energi merupakan industri penting yang memegang peranan besar dalam kehidupan manusia. Situasi energi di negara ini bergantung pada kerja banyak ilmuwan di industri ini. Saat ini mereka mencari tujuan tersebut, mereka siap menggunakan apa saja, mulai dari sinar matahari dan air hingga energi udara. Peralatan yang dapat menghasilkan energi dari lingkungan sangat dihargai.

Informasi umum

Tabung nano karbon adalah bidang grafit yang panjang dan digulung yang memiliki bentuk silinder. Biasanya, ketebalannya mencapai beberapa puluh nanometer, dan panjangnya beberapa sentimeter. Di ujung nanotube terbentuk kepala bulat, yang merupakan salah satu bagian fullerene.

Ada dua jenis tabung nano karbon: logam dan semikonduktor. Perbedaan utama mereka adalah konduktivitas saat ini. Tipe pertama dapat menghantarkan arus pada suhu 0ºС, dan tipe kedua - hanya pada suhu tinggi.

Tabung nano karbon: properti

Sebagian besar bidang modern, seperti kimia terapan atau nanoteknologi, berhubungan dengan nanotube, yang memiliki struktur kerangka karbon. Apa itu? Struktur ini mengacu pada molekul besar yang dihubungkan satu sama lain hanya oleh atom karbon. Tabung nano karbon, yang sifat-sifatnya didasarkan pada cangkang tertutup, sangat dihargai. Selain itu, formasi tersebut memiliki bentuk silinder. Tabung semacam itu dapat diperoleh dengan menggulung lembaran grafit, atau ditumbuhkan dari katalis tertentu. Tabung nano karbon, foto yang disajikan di bawah ini, memiliki struktur yang tidak biasa.

Mereka datang dalam berbagai bentuk dan ukuran: satu lapis dan banyak lapis, lurus dan melengkung. Meskipun nanotube terlihat cukup rapuh, mereka merupakan material yang kuat. Banyak penelitian telah menemukan bahwa mereka memiliki sifat seperti meregang dan menekuk. Di bawah pengaruh beban mekanis yang serius, elemen tidak sobek atau pecah, sehingga dapat beradaptasi dengan tegangan yang berbeda.

Toksisitas

Dari berbagai penelitian, ditemukan bahwa karbon nanotube dapat menimbulkan masalah yang sama seperti serat asbes, yaitu terjadinya berbagai tumor ganas, serta kanker paru-paru. Derajat pengaruh negatif asbes tergantung pada jenis dan ketebalan seratnya. Karena karbon nanotube memiliki berat dan ukuran yang kecil, mereka dengan mudah masuk ke dalam tubuh manusia bersama dengan udara. Selanjutnya, mereka masuk ke pleura dan masuk ke dada, dan lama kelamaan menyebabkan berbagai komplikasi. Para ilmuwan melakukan percobaan dan menambahkan partikel nanotube ke dalam makanan tikus. Produk yang berdiameter kecil praktis tidak berlama-lama di dalam tubuh, namun yang lebih besar menempel di dinding lambung dan menimbulkan berbagai penyakit.

Metode penerimaan

Saat ini, ada metode berikut untuk memproduksi tabung nano karbon: pengisian busur, ablasi, deposisi uap.

Pelepasan busur listrik. Persiapan (tabung nano karbon dijelaskan dalam artikel ini) dalam plasma muatan listrik, yang terbakar menggunakan helium. Proses ini dapat dilakukan dengan menggunakan peralatan teknis khusus untuk memproduksi fullerene. Namun metode ini menggunakan mode pembakaran busur lainnya. Misalnya, dikurangi, dan katoda dengan ketebalan yang sangat besar juga digunakan. Untuk menciptakan atmosfer helium, tekanannya perlu ditingkatkan unsur kimia. Tabung nano karbon diproduksi dengan cara sputtering. Untuk menambah jumlahnya, Anda harus masuk batang grafit katalisator. Paling sering itu adalah campuran kelompok logam yang berbeda. Selanjutnya, perubahan tekanan dan metode penyemprotan. Dengan demikian, deposit katoda diperoleh, di mana tabung nano karbon terbentuk. Produk jadi tumbuh tegak lurus terhadap katoda dan dikumpulkan menjadi bundel. Panjangnya 40 mikron.

Ablasi. Metode ini ditemukan oleh Richard Smalley. Esensinya adalah menguapkan permukaan grafit yang berbeda dalam reaktor yang beroperasi pada suhu tinggi. Tabung nano karbon dibentuk oleh penguapan grafit di bagian bawah reaktor.

Mereka didinginkan dan dikumpulkan menggunakan permukaan pendingin. Jika pada kasus pertama jumlah elemennya sama dengan 60%, maka dengan metode ini angkanya meningkat 10%. Biaya metode absolasi laser lebih mahal dibandingkan metode lainnya. Biasanya, nanotube berdinding tunggal diperoleh dengan mengubah suhu reaksi.

Deposisi uap. Metode pengendapan uap karbon ditemukan pada akhir tahun 50-an. Tapi tidak ada yang membayangkan bahwa itu bisa digunakan untuk memproduksi tabung nano karbon. Jadi, pertama-tama Anda perlu menyiapkan permukaan dengan katalis. Ini bisa berupa partikel kecil dari berbagai logam, misalnya kobalt, nikel, dan banyak lainnya. Nanotube mulai muncul dari lapisan katalis. Ketebalannya secara langsung bergantung pada ukuran logam katalitik. Permukaannya dipanaskan hingga suhu tinggi, dan kemudian gas yang mengandung karbon disuplai. Diantaranya adalah metana, asetilena, etanol, dll. Amonia berfungsi sebagai gas teknis tambahan. Metode ini memperoleh nanotube adalah yang paling umum. Prosesnya sendiri berlangsung di berbagai tempat perusahaan industri, karena lebih sedikit sumber daya keuangan yang dihabiskan untuk memproduksi tabung dalam jumlah besar. Keuntungan lain dari metode ini adalah unsur vertikal dapat diperoleh dari partikel logam apa pun yang berfungsi sebagai katalis. Produksinya (tabung nano karbon dijelaskan dari semua sisi) dimungkinkan berkat penelitian Suomi Iijima, yang mengamati penampakannya di bawah mikroskop sebagai hasil sintesis karbon.

Tipe utama

Unsur karbon diklasifikasikan berdasarkan jumlah lapisannya. Jenis yang paling sederhana adalah tabung nano karbon berdinding tunggal. Masing-masing tebalnya kira-kira 1 nm, dan panjangnya bisa lebih besar. Jika dilihat dari strukturnya, produk tersebut terlihat seperti membungkus grafit dengan menggunakan jaring heksagonal. Di simpulnya terdapat atom karbon. Jadi, tabung itu berbentuk silinder, tidak ada jahitannya. Bagian atas perangkat ditutup dengan penutup yang terdiri dari molekul fullerene.

Jenis selanjutnya adalah tabung nano karbon berdinding banyak. Mereka terdiri dari beberapa lapisan grafit, yang dilipat menjadi bentuk silinder. Jarak 0,34 nm dipertahankan di antara keduanya. Struktur dari jenis ini dijelaskan dalam dua cara. Menurut yang pertama, tabung multilayer adalah beberapa tabung satu lapis yang bersarang di dalam satu sama lain, yang terlihat seperti boneka bersarang. Menurut yang kedua, nanotube berdinding banyak adalah lembaran grafit yang membungkus dirinya sendiri beberapa kali, mirip dengan koran yang dilipat.

Tabung nano karbon: aplikasi

Unsur-unsur tersebut merupakan perwakilan baru dari kelas bahan nano.

Seperti disebutkan sebelumnya, mereka memiliki struktur rangka, yang sifatnya berbeda dari grafit atau berlian. Itu sebabnya bahan ini lebih sering digunakan dibandingkan bahan lainnya.

Karena karakteristiknya seperti kekuatan, tekukan, konduktivitas, mereka digunakan di banyak bidang:

• sebagai bahan tambahan pada polimer;
• katalis untuk perangkat penerangan, serta layar panel datar dan tabung dalam jaringan telekomunikasi;
• sebagai penyerap gelombang elektromagnetik;
• untuk konversi energi;
• produksi anoda pada berbagai jenis baterai;
• penyimpanan hidrogen;
• pembuatan sensor dan kapasitor;
• produksi komposit dan memperkuat struktur dan propertinya.

Selama bertahun-tahun, tabung nano karbon, yang penerapannya tidak terbatas pada satu industri tertentu, telah digunakan riset ilmiah. Bahan ini punya posisi lemah di pasar, karena ada masalah dengan produksi skala besar. Hal penting lainnya adalah tingginya biaya karbon nanotube, yaitu sekitar $120 per gram zat tersebut.

Mereka digunakan sebagai elemen dasar dalam produksi banyak komposit, yang digunakan untuk membuat banyak barang olahraga. Industri lainnya adalah industri otomotif. Fungsionalisasi tabung nano karbon di bidang ini bertujuan untuk memberikan sifat konduktif pada polimer.

Koefisien konduktivitas termal nanotube cukup tinggi, sehingga dapat digunakan sebagai alat pendingin berbagai peralatan masif. Mereka juga digunakan untuk membuat tip yang dilekatkan pada tabung probe.

Area aplikasi yang paling penting adalah teknologi komputer. Berkat nanotube, tampilan datar khususnya tercipta. Dengan menggunakannya, Anda dapat mengurangi secara signifikan dimensi keseluruhan komputer itu sendiri, serta meningkatkan kinerja teknisnya. Peralatan yang sudah jadi akan beberapa kali lebih unggul dari teknologi saat ini. Berdasarkan penelitian tersebut, tabung gambar tegangan tinggi dapat dibuat.

Seiring berjalannya waktu, tabung tersebut akan digunakan tidak hanya dalam bidang elektronik, tetapi juga dalam bidang medis dan energi.

Produksi

Tabung karbon yang produksinya terbagi menjadi dua jenis, distribusinya tidak merata.

Artinya, MWNT diproduksi lebih banyak dibandingkan SWNT. Tipe kedua dilakukan jika ada kebutuhan mendesak. Berbagai perusahaan terus memproduksi tabung nano karbon. Tapi mereka praktis tidak diminati, karena biayanya terlalu tinggi.

Pemimpin produksi

Saat ini, tempat terdepan dalam produksi tabung nano karbon ditempati oleh negara-negara Asia, yang 3 kali lebih tinggi dibandingkan negara lain di Eropa dan Amerika. Secara khusus, Jepang terlibat dalam produksi MWNT. Namun negara lain, seperti Korea dan China, juga tidak kalah dengan indikator ini.

Produksi di Rusia

Produksi karbon nanotube dalam negeri tertinggal jauh dibandingkan negara lain. Faktanya, itu semua tergantung pada kualitas penelitian yang dilakukan di bidang ini. Sumber daya keuangan yang dialokasikan di sini tidak cukup untuk pendirian pusat ilmu pengetahuan dan teknologi di negara ini. Banyak orang yang tidak menerima perkembangan nanoteknologi karena mereka tidak mengetahui bagaimana nanoteknologi dapat dimanfaatkan dalam industri. Oleh karena itu, transisi perekonomian ke jalur baru cukup sulit.

Oleh karena itu, Presiden Rusia mengeluarkan dekrit yang menunjukkan jalur pengembangan berbagai bidang nanoteknologi, termasuk elemen karbon. Untuk tujuan ini, program pengembangan dan teknologi khusus telah dibuat.

Untuk memastikan bahwa semua poin pesanan dilaksanakan, perusahaan Rusnanotech didirikan. Sejumlah besar uang dialokasikan untuk pengoperasiannya. anggaran Pendapatan dan Belanja Negara. Dialah yang harus mengendalikan proses pengembangan, produksi dan implementasi industri tabung nano karbon. Jumlah yang dialokasikan akan digunakan untuk pendirian berbagai lembaga penelitian dan laboratorium, dan juga akan memperkuat karya ilmuwan dalam negeri yang sudah ada. Dana ini juga akan digunakan untuk membeli peralatan berkualitas tinggi untuk produksi tabung nano karbon. Sejak saat itu, penting juga untuk merawat perangkat-perangkat yang akan melindungi kesehatan manusia bahan ini menyebabkan banyak penyakit.

Seperti disebutkan sebelumnya, seluruh masalahnya adalah penggalangan dana. Kebanyakan investor tidak mau berinvestasi perkembangan ilmu pengetahuan, terutama pada waktu yang lama. Semua pebisnis ingin mendapatkan keuntungan, namun pengembangan nano bisa memakan waktu bertahun-tahun. Hal inilah yang membuat perwakilan usaha kecil dan menengah enggan. Selain itu, tanpa investasi pemerintah, produksi bahan nano tidak akan dapat diluncurkan sepenuhnya.

Masalah lainnya adalah kurangnya kerangka hukum, karena tidak ada hubungan antara berbagai tingkat usaha. Oleh karena itu, tabung nano karbon, yang produksinya tidak diminati di Rusia, tidak hanya memerlukan investasi finansial, tetapi juga mental. Sejauh ini, Federasi Rusia masih jauh dari negara-negara Asia yang memimpin pengembangan nanoteknologi.

Saat ini, pengembangan industri ini dilakukan di fakultas kimia berbagai universitas di Moskow, Tambov, St. Petersburg, Novosibirsk dan Kazan. Produsen utama tabung nano karbon adalah perusahaan Granat dan pabrik Tambov Komsomolets.

Sisi positif dan negatif

Diantara kelebihannya adalah sifat khusus dari karbon nanotube. Mereka adalah bahan tahan lama yang tidak runtuh karena tekanan mekanis. Selain itu, mereka bekerja dengan baik dalam menekuk dan meregangkan. Hal ini dimungkinkan berkat struktur rangka tertutup. Penggunaannya tidak terbatas pada satu industri saja. Tabung tersebut telah diterapkan dalam industri otomotif, elektronik, kedokteran dan energi.

Kerugian besar adalah dampak negatifnya terhadap kesehatan manusia.

Partikel nanotube yang masuk ke dalam tubuh manusia menyebabkan terjadinya tumor ganas dan kanker.

Aspek penting adalah pembiayaan industri ini. Banyak orang tidak mau berinvestasi di bidang sains karena membutuhkan banyak waktu untuk mendapatkan keuntungan. Dan tanpa berfungsinya laboratorium penelitian, pengembangan nanoteknologi tidak mungkin terjadi.

Kesimpulan

Karbon nanotube memainkan peran penting dalam teknologi inovatif. Banyak ahli memperkirakan pertumbuhan industri ini di tahun-tahun mendatang. Akan terjadi peningkatan kemampuan produksi yang signifikan sehingga berdampak pada penurunan harga pokok barang. Dengan penurunan harga, tabung akan banyak diminati dan akan menjadi bahan yang sangat diperlukan untuk banyak perangkat dan perlengkapan.

Jadi, kami menemukan produk apa ini.

Tabung nano karbon adalah bahan yang diimpikan banyak ilmuwan. Koefisien kekuatan tinggi, konduktivitas termal dan listrik yang sangat baik, ketahanan terhadap api, dan koefisien berat adalah urutan besarnya lebih tinggi daripada sebagian besar bahan yang dikenal. Tabung nano karbon adalah lembaran graphene yang digulung menjadi tabung. Ilmuwan Rusia Konstantin Novoselov dan Andrei Geim menerima Hadiah Nobel pada tahun 2010 atas penemuannya.

Untuk pertama kalinya, ilmuwan Soviet mampu mengamati tabung karbon pada permukaan katalis besi pada tahun 1952. Namun, butuh waktu lima puluh tahun bagi para ilmuwan untuk melihat nanotube sebagai sesuatu yang menjanjikan dan bahan yang bermanfaat. Salah satu sifat mencolok dari nanotube ini adalah sifat-sifatnya ditentukan oleh geometri. Dengan demikian, sifat listriknya bergantung pada sudut puntir - nanotube dapat menunjukkan konduktivitas semikonduktor dan logam.

Apa ini

Banyak arah yang menjanjikan dalam nanoteknologi saat ini mereka dikaitkan secara khusus dengan tabung nano karbon. Sederhananya, tabung nano karbon adalah molekul raksasa atau struktur kerangka yang hanya terdiri dari atom karbon. Sangat mudah untuk membayangkan tabung nano seperti itu jika Anda membayangkan graphene dilipat menjadi tabung - ini adalah salah satu lapisan molekul grafit. Metode pelipatan nanotube sangat menentukan sifat akhir material ini.

Secara alami, tidak ada seorang pun yang membuat tabung nano dengan menggulungnya secara khusus dari selembar grafit. Nanotube terbentuk sendiri, misalnya, pada permukaan elektroda karbon atau di antara keduanya selama pelepasan busur. Selama pelepasan, atom karbon menguap dari permukaan dan bergabung satu sama lain. Hasilnya, berbagai jenis nanotube terbentuk - berdinding banyak, berdinding tunggal, dan dengan sudut puntir berbeda.

Klasifikasi utama nanotube didasarkan pada jumlah lapisan yang menyusunnya:

• Nanotube berdinding tunggal adalah jenis nanotube yang paling sederhana. Kebanyakan dari mereka memiliki diameter sekitar 1 nm dengan panjang yang bisa ribuan kali lebih besar;
• Tabung nano multilayer, terdiri dari beberapa lapisan graphene, dilipat menjadi bentuk tabung. Jarak 0,34 nm terbentuk antar lapisan, yang identik dengan jarak antar lapisan dalam kristal grafit.

Perangkat

Nanotube adalah struktur karbon silinder memanjang yang dapat memiliki panjang hingga beberapa sentimeter dan diameter satu hingga beberapa puluh nanometer. Pada saat yang sama, saat ini ada teknologi yang memungkinkan untuk menenunnya menjadi benang dengan panjang tidak terbatas. Mereka dapat terdiri dari satu atau lebih bidang graphene yang digulung menjadi sebuah tabung, yang biasanya diakhiri dengan kepala setengah bola.

Diameter nanotube adalah beberapa nanometer, yaitu beberapa miliar meter. Dinding tabung nano karbon terbuat dari segi enam, di simpulnya terdapat atom karbon. Tabungnya mungkin ada tipe yang berbeda struktur, dialah yang mempengaruhi mekanik, elektronik dan sifat kimia. Tabung satu lapis memiliki lebih sedikit cacat; pada saat yang sama, setelah anil pada suhu tinggi dalam atmosfer inert, tabung bebas cacat dapat diperoleh. Nanotube berdinding banyak berbeda dari nanotube berdinding tunggal standar dalam variasi konfigurasi dan bentuk yang jauh lebih luas.

Tabung nano karbon dapat disintesis dengan berbagai cara, namun yang paling umum adalah:

• Pelepasan busur. Metode ini memastikan produksi nanotube di instalasi teknologi untuk produksi fullerene dalam plasma pelepasan busur yang terbakar di atmosfer helium. Tetapi mode pembakaran busur yang berbeda digunakan di sini: tekanan helium lebih tinggi dan kepadatan arus rendah, serta katoda berdiameter lebih besar. Deposit katoda mengandung tabung nano dengan panjang hingga 40 mikron; mereka tumbuh tegak lurus dari katoda dan digabungkan menjadi bundel silinder.
• Metode ablasi laser . Metode ini didasarkan pada penguapan target grafit dalam reaktor khusus bersuhu tinggi. Nanotube terbentuk pada permukaan reaktor yang didinginkan dalam bentuk kondensat penguapan grafit. Metode ini memungkinkan seseorang untuk memperoleh nanotube berdinding tunggal dengan kontrol diameter yang diperlukan berdasarkan suhu. Namun metode ini jauh lebih mahal dibandingkan metode lainnya.
• Deposisi uap kimia . Metode ini melibatkan pembuatan substrat dengan lapisan katalis - dapat berupa partikel besi, kobalt, nikel, atau kombinasi keduanya. Diameter nanotube yang ditumbuhkan menggunakan metode ini akan bergantung pada ukuran partikel yang digunakan. Substrat dipanaskan hingga 700 derajat. Untuk memulai pertumbuhan nanotube, gas yang mengandung karbon dan gas proses (hidrogen, nitrogen atau amonia) dimasukkan ke dalam reaktor. Nanotube tumbuh di area katalis logam.

Aplikasi dan Fitur

• Aplikasi dalam fotonik dan optik . Dengan memilih diameter nanotube, penyerapan optik dapat dipastikan dalam rentang spektral yang luas. Tabung nano karbon berdinding tunggal menunjukkan nonlinier serapan jenuh yang kuat, yang berarti mereka menjadi transparan di bawah cahaya yang cukup kuat. Oleh karena itu, mereka dapat digunakan untuk berbagai aplikasi di bidang fotonik, misalnya pada router dan switch, untuk membuat pulsa laser ultrapendek dan meregenerasi sinyal optik.
• Aplikasi dalam elektronik . Saat ini, banyak metode penggunaan nanotube dalam elektronik telah diumumkan, namun hanya sebagian kecil yang dapat direalisasikan. Minat terbesar adalah penggunaan nanotube dalam konduktor transparan sebagai bahan antarmuka yang stabil secara termal.

Relevansi upaya untuk memperkenalkan nanotube dalam elektronik disebabkan oleh kebutuhan untuk menggantikan indium dalam heat sink, yang digunakan dalam transistor berdaya tinggi, prosesor grafis dan unit pemrosesan pusat, karena cadangan bahan ini semakin berkurang dan harganya meningkat. .

• Penciptaan sensor . Tabung nano karbon untuk sensor adalah salah satu solusi paling menarik. Film ultra tipis dari nanotube berdinding tunggal saat ini mungkin menjadi dasar terbaik untuk sensor elektronik. Mereka dapat diproduksi dengan menggunakan metode yang berbeda.
• Penciptaan biochip, biosensor , pengendalian pengiriman yang ditargetkan dan tindakan obat dalam industri bioteknologi. Pekerjaan ke arah ini sedang berlangsung. Analisis throughput tinggi yang dilakukan menggunakan nanoteknologi akan secara signifikan mengurangi waktu yang diperlukan untuk membawa suatu teknologi ke pasar.
• Saat ini pertumbuhannya sangat tajam produksi nanokomposit , sebagian besar polimer. Ketika sejumlah kecil tabung nano karbon dimasukkan ke dalamnya, perubahan signifikan pada sifat polimer akan terjadi. Hal ini meningkatkan stabilitas termal dan kimia, konduktivitas termal, konduktivitas listrik, dan meningkatkannya karakteristik mekanis. Lusinan material telah diperbaiki dengan menambahkan tabung nano karbon;

Serat komposit berdasarkan polimer dengan tabung nano;
komposit keramik dengan aditif. Ketahanan retak keramik meningkat, perlindungan terhadap radiasi elektromagnetik muncul, konduktivitas listrik dan termal meningkat;
beton dengan nanotube – meningkatkan mutu, kekuatan, ketahanan retak, mengurangi penyusutan;
komposit logam. Terutama komposit tembaga yang memiliki sifat mekanik beberapa kali lebih tinggi dari tembaga biasa;
komposit hibrida, yang mengandung tiga komponen sekaligus: serat anorganik atau polimer (kain), bahan pengikat dan nanotube.

Keuntungan dan kerugian

Di antara kelebihan karbon nanotube adalah:

• Banyak sekali yang unik dan sungguh sifat-sifat yang bermanfaat, yang dapat digunakan dalam penerapan solusi hemat energi, fotonik, elektronik, dan aplikasi lainnya.
• Ini adalah bahan nano yang memiliki koefisien tinggi kekuatan, konduktivitas termal dan listrik yang sangat baik, tahan api.
• Memperbaiki sifat material lain dengan memasukkan sejumlah kecil tabung nano karbon ke dalamnya.
• Tabung nano karbon ujung terbuka menunjukkan efek kapiler, artinya dapat menarik logam cair dan zat cair lainnya;
• Nanotube menggabungkan sifat padatan dan molekul, yang membuka prospek yang signifikan.

Di antara kelemahan karbon nanotube adalah:

• Tabung nano karbon saat ini tidak diproduksi dalam skala industri, sehingga penggunaan serialnya terbatas.
• Biaya produksi tabung nano karbon yang tinggi juga membatasi penerapannya. Namun, para ilmuwan bekerja keras untuk mengurangi biaya produksinya.
• Kebutuhan untuk meningkatkan teknologi produksi untuk menciptakan tabung nano karbon dengan sifat yang ditentukan secara tepat.

Prospek

Dalam waktu dekat, tabung nano karbon akan digunakan di mana-mana;

• skala nano, bahan komposit, benang super kuat.
• Sel bahan bakar, permukaan konduktif transparan, kawat nano, transistor.
• Perkembangan neurokomputer terkini.
• Layar, LED.
• Alat untuk menyimpan logam dan gas, kapsul untuk molekul aktif, nanopipet.
• Robot nano medis untuk pengiriman dan operasi obat.
• Sensor miniatur dengan sensitivitas ultra-tinggi. Sensor nano semacam itu dapat digunakan dalam aplikasi bioteknologi, medis, dan militer.
• Kabel elevator luar angkasa.
• Pengeras suara transparan datar.
• Otot buatan. Di masa depan, cyborg dan robot akan muncul, dan penyandang disabilitas akan kembali ke kehidupan yang utuh.
• Mesin dan generator listrik.
• Pakaian cerdas, ringan dan nyaman yang akan melindungi Anda dari segala kesulitan.
• Superkapasitor aman dengan pengisian cepat.

Semua ini terjadi di masa depan, karena teknologi industri untuk pembuatan dan penggunaan tabung nano karbon masih dalam tahap awal pengembangan, dan harganya sangat mahal. Namun para ilmuwan Rusia telah mengumumkan bahwa mereka telah menemukan cara untuk mengurangi biaya pembuatan bahan ini hingga dua ratus kali lipat. Teknologi unik untuk memproduksi tabung nano karbon ini saat ini dirahasiakan, namun dirancang untuk merevolusi industri dan banyak bidang lainnya.

Kelompok cluster lainnya adalah formasi karbon silinder memanjang, yang kemudian, setelah strukturnya dijelaskan, disebut " tabung nano karbon" (CNT). CNT adalah molekul besar, terkadang bahkan sangat besar (lebih dari 10 6 atom) yang dibangun dari atom karbon.

Khas diagram blok CNT berdinding tunggal dan hasil perhitungan komputer orbital molekulnya ditunjukkan pada Gambar. 3.1. Pada titik sudut semua segi enam dan segi lima, ditunjukkan sebagai garis putih, terdapat atom karbon dalam keadaan hibridisasi sp 2. Untuk memastikan struktur kerangka CNT terlihat jelas, atom karbon tidak ditampilkan di sini. Namun hal itu tidak sulit untuk dibayangkan. Warna abu-abu menunjukkan tampilan orbital molekul pada permukaan lateral CNT.

Gambar 3.1

Teori tersebut menunjukkan bahwa struktur permukaan samping CNT berdinding tunggal dapat dibayangkan sebagai satu lapisan grafit yang digulung menjadi sebuah tabung. Jelas bahwa lapisan ini hanya dapat digulung ke arah di mana kesejajaran kisi heksagonal dengan dirinya sendiri tercapai ketika permukaan silinder ditutup. Oleh karena itu, CNT hanya memiliki serangkaian diameter tertentu dan diklasifikasikan Oleh vektor yang menunjukkan arah lipatan kisi heksagonal. Itu tergantung pada caranya penampilan, dan variasi sifat CNT. Tiga opsi umum ditunjukkan pada Gambar 3.2.

Himpunan kemungkinan diameter CNT tumpang tindih jangkauan dari sedikit kurang dari 1 nm hingga puluhan nanometer. A panjang CNT bisa mencapai puluhan mikrometer. Catatan Oleh Panjang CNT sudah melebihi batas 1 mm.

CNT yang cukup panjang (kapan panjang diameternya jauh lebih besar) dapat dianggap sebagai kristal satu dimensi. Pada mereka seseorang dapat membedakan “sel satuan”, yang diulang berkali-kali di sepanjang sumbu tabung. Dan ini tercermin dalam beberapa sifat tabung nano karbon panjang.

Bergantung pada vektor rollup lapisan grafit (para ahli mengatakan: “dari sifat kiral") nanotube dapat berupa konduktor dan semikonduktor. CNT yang disebut struktur "sadel" selalu memiliki konduktivitas listrik "logam" yang cukup tinggi.

Beras. 3.2

“Penutup” yang menutup CNT di ujungnya mungkin juga berbeda. Mereka memiliki bentuk “setengah” dari fullerene yang berbeda. Opsi utama mereka ditunjukkan pada Gambar. 3.3.

Beras. 3.3 Opsi utama untuk "penutup" CNT berdinding tunggal

ada juga CNT multidinding. Beberapa di antaranya tampak seperti lapisan grafit yang digulung menjadi gulungan. Namun sebagian besar terdiri dari tabung satu lapis yang disisipkan satu sama lain, saling berhubungan oleh gaya van der Waals. Jika CNT berdinding tunggal hampir selalu ditutup dengan penutup CNT multidinding Mereka juga terbuka sebagian. Mereka biasanya menunjukkan lebih banyak cacat struktural kecil dibandingkan CNT berdinding tunggal. Oleh karena itu, untuk aplikasi di bidang elektronik, preferensi masih diberikan kepada yang terakhir.

CNT tumbuh tidak hanya lurus, tetapi juga lengkung, ditekuk membentuk “lutut”, bahkan tergulung seluruhnya dalam bentuk torus. Seringkali, beberapa CNT terhubung erat satu sama lain dan membentuk “bundel”.

Bahan yang digunakan untuk nanotube

Perkembangan metode sintesis karbon nanotube (CNT) telah mengikuti jalur penurunan suhu sintesis. Setelah penciptaan teknologi untuk memproduksi fullerene, ditemukan bahwa selama penguapan busur listrik elektroda grafit, bersamaan dengan pembentukan fullerene, struktur silinder yang diperluas juga terbentuk. Ahli mikroskop Sumio Iijima, menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM), adalah orang pertama yang mengidentifikasi struktur ini sebagai tabung nano. Metode suhu tinggi untuk memproduksi CNT termasuk metode busur listrik. Jika Anda menguapkan batang grafit (anoda) ke dalam busur listrik, kemudian terbentuk endapan (deposit) karbon keras pada elektroda berlawanan (katoda), inti lunaknya mengandung CNT berdinding banyak dengan diameter 15-20 nm dan panjang lebih dari 1 m.

Pembentukan CNT dari jelaga fullerene di bawah pengaruh termal suhu tinggi pada jelaga pertama kali diamati oleh kelompok Oxford dan Swiss. Instalasi untuk sintesis busur listrik bersifat intensif logam, memakan energi, tetapi bersifat universal untuk diperoleh berbagai jenis bahan nano karbon. Masalah yang signifikan adalah proses non-ekuilibrium selama pembakaran busur. Metode busur listrik pernah menggantikan metode penguapan laser (ablasi) dengan sinar laser. Unit ablasi adalah oven pemanas resistif konvensional yang menghasilkan suhu 1200°C. Untuk mendapatkan suhu yang lebih tinggi di dalamnya, cukup dengan menempatkan target karbon di dalam tungku dan mengarahkan sinar laser ke sana, secara bergantian memindai seluruh permukaan target. Jadi, kelompok Smalley, menggunakan instalasi mahal dengan laser pulsa pendek, memperoleh nanotube pada tahun 1995, “secara signifikan menyederhanakan” teknologi sintesisnya.

Namun, hasil CNT masih rendah. Pengenalan penambahan kecil nikel dan kobalt (0,5 at.%) ke dalam grafit memungkinkan peningkatan hasil CNT hingga 70-90%. Mulai saat ini dimulai panggung baru dalam memahami mekanisme pembentukan nanotube. Jelas terlihat bahwa logam merupakan katalis pertumbuhan. Ini adalah bagaimana karya pertama muncul pada produksi tabung nano dengan metode suhu rendah - metode pirolisis katalitik hidrokarbon (CVD), di mana partikel logam golongan besi digunakan sebagai katalis. Salah satu opsi instalasi untuk memproduksi nanotube dan nanofiber dengan metode CVD adalah reaktor di mana gas pembawa inert disuplai, membawa katalis dan hidrokarbon ke zona suhu tinggi.

Secara sederhana, mekanisme pertumbuhan CNT adalah sebagai berikut. Karbon yang terbentuk selama dekomposisi termal hidrokarbon larut dalam nanopartikel logam. Ketika konsentrasi karbon yang tinggi dalam suatu partikel tercapai, “pelepasan” kelebihan karbon yang menguntungkan secara energetik terjadi pada salah satu permukaan partikel katalis dalam bentuk tutup semifulerena yang terdistorsi. Ini adalah bagaimana nanotube lahir. Karbon yang terurai terus memasuki partikel katalis, dan untuk menghilangkan kelebihan konsentrasinya dalam lelehan, karbon harus terus-menerus dibuang. Belahan yang naik (semi-fullerene) dari permukaan lelehan membawa serta kelebihan karbon terlarut, yang atom-atomnya di luar lelehan membentuk ikatan C-C, yang merupakan kerangka tabung nano berbentuk silinder.

Suhu leleh suatu partikel dalam keadaan berukuran nano bergantung pada jari-jarinya. Semakin kecil radiusnya, semakin rendah suhu lelehnya, akibat efek Gibbs-Thompson. Oleh karena itu, nanopartikel besi dengan ukuran sekitar 10 nm berada dalam keadaan cair di bawah 600°C. Saat ini, sintesis CNT suhu rendah telah dilakukan menggunakan pirolisis katalitik asetilena dengan adanya partikel Fe pada 550°C. Mengurangi suhu sintesis juga memiliki konsekuensi negatif. Dengan lebih banyak suhu rendah CNT diperoleh dengan diameter besar (sekitar 100 nm) dan struktur yang sangat cacat seperti "bambu" atau "nanokon bersarang". Bahan yang dihasilkan hanya terdiri dari karbon, tetapi bahkan tidak mendekati karakteristik luar biasa (misalnya modulus Young) yang diamati pada tabung nano karbon berdinding tunggal yang diperoleh dengan ablasi laser atau sintesis busur listrik.

Dan struktur serupa lainnya yang dapat disebut dengan istilah umum struktur rangka karbon. Apa ini?

Struktur kerangka karbon adalah molekul besar (dan terkadang raksasa!) yang seluruhnya terbuat dari atom karbon. Bahkan dapat dikatakan bahwa struktur kerangka karbon adalah bentuk karbon alotropik baru (selain bentuk karbon yang sudah lama dikenal: intan dan grafit). Ciri utama molekul-molekul ini adalah bentuk kerangkanya: mereka terlihat seperti “cangkang” yang tertutup dan kosong di dalamnya. Struktur kerangka karbon yang paling terkenal adalah fullerene C 60, penemuan yang benar-benar tidak terduga pada tahun 1985 menyebabkan ledakan penelitian di bidang ini (Hadiah Nobel Kimia tahun 1996 dianugerahkan kepada penemu fullerene Robert Curle, Harold Kroteau dan Richard Smalley). Pada akhir tahun 80-an dan awal 90-an, setelah teknik untuk memproduksi fullerene dalam jumlah makroskopis dikembangkan, banyak fullerene lain, baik yang lebih ringan maupun yang lebih berat ditemukan: mulai dari C 20 (fulerene minimum yang mungkin) hingga C 70, C 82, C 96, dan lebih tinggi.

Namun, keragaman struktur kerangka karbon tidak berhenti sampai disitu saja. Pada tahun 1991, sekali lagi secara tak terduga, formasi karbon berbentuk silinder panjang yang disebut nanotube ditemukan. Secara visual, struktur tabung nano tersebut dapat dibayangkan sebagai berikut: kita mengambil bidang grafit, memotongnya dan “merekatkannya” ke dalam silinder (hati-hati: pelipatan bidang grafit tersebut hanyalah cara untuk membayangkan strukturnya. dari nanotube; pada kenyataannya, nanotube tumbuh dengan cara yang sangat berbeda). Tampaknya lebih sederhana - Anda mengambil bidang grafit dan menggulungnya menjadi silinder! - namun, sebelum penemuan eksperimental nanotube, tidak ada ahli teori yang meramalkannya! Jadi para ilmuwan hanya bisa mempelajarinya - dan terkejut!

Dan masih banyak hal yang mengejutkan. Pertama, variasi bentuknya: nanotube bisa berukuran besar dan kecil, berdinding tunggal dan berlapis-lapis, lurus dan spiral. Kedua, meskipun terlihat rapuh dan bahkan halus, nanotube ternyata merupakan bahan yang sangat kuat, baik dalam tarikan maupun tekukan. Selain itu, di bawah pengaruh tekanan mekanis yang melebihi tekanan kritis, nanotube juga berperilaku luar biasa: mereka tidak “sobek” atau “pecah”, tetapi hanya mengatur ulang dirinya sendiri! Lebih lanjut, nanotube menunjukkan serangkaian sifat listrik, magnet, dan optik yang paling tidak terduga. Misalnya, bergantung pada pola lipatan spesifik bidang grafit, tabung nano dapat menjadi konduktor dan semikonduktor! Bisa materi lain dengan sesederhana itu komposisi kimia membanggakan setidaknya beberapa sifat yang dimiliki nanotube?!

Yang terakhir, variasi aplikasi yang telah ditemukan untuk nanotube sangatlah menakjubkan. Hal pertama yang disarankan adalah penggunaan nanotube sebagai batang dan benang mikroskopis yang sangat kuat. Seperti yang ditunjukkan oleh hasil eksperimen dan pemodelan numerik, modulus Young dari nanotube berdinding tunggal mencapai nilai sekitar 1-5 TPa, yang merupakan urutan besarnya lebih besar daripada baja! Benar, saat ini panjang maksimum nanotube adalah puluhan dan ratusan mikron - yang tentu saja sangat besar pada skala atom, tetapi terlalu pendek untuk penggunaan sehari-hari. Namun, panjang nanotube yang diproduksi di laboratorium secara bertahap meningkat - sekarang para ilmuwan telah mendekati tanda milimeter: lihat karya [Z. Pan et al, 1998], yang menjelaskan sintesis nanotube multiwall sepanjang 2 mm. Oleh karena itu, ada banyak alasan untuk berharap bahwa dalam waktu dekat para ilmuwan akan belajar menumbuhkan tabung nano sepanjang sentimeter dan bahkan meter! Tentu saja, hal ini akan sangat mempengaruhi teknologi masa depan: lagi pula, “kabel” setebal rambut manusia, yang mampu menahan beban ratusan kilogram, akan banyak digunakan.

Contoh lain di mana nanotube menjadi bagian dari perangkat fisik adalah ketika nanotube “dipasang” di ujung terowongan pemindaian atau mikroskop gaya atom. Biasanya ujung seperti itu adalah jarum tungsten yang diasah, tetapi menurut standar atom, penajaman seperti itu masih cukup kasar. Nanotube adalah jarum ideal dengan diameter orde beberapa atom. Dengan menerapkan tegangan tertentu, atom dan seluruh molekul yang terletak pada substrat langsung di bawah jarum dapat diambil dan dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain.

Sifat listrik yang tidak biasa dari nanotube akan menjadikannya salah satu bahan utama nanoelektronik. Prototipe transistor efek medan berdasarkan nanotube tunggal telah dibuat: dengan menerapkan tegangan pemblokiran beberapa volt, para ilmuwan telah belajar untuk mengubah konduktivitas nanotube berdinding tunggal sebesar 5 kali lipat!

Aplikasi lain dalam nanoelektronik adalah pembuatan heterostruktur semikonduktor, yaitu struktur logam/semikonduktor atau persimpangan dua semikonduktor yang berbeda. Sekarang, untuk menghasilkan heterostruktur seperti itu, tidak perlu menumbuhkan dua bahan secara terpisah dan kemudian “menyatu” keduanya. Yang diperlukan hanyalah membuat cacat struktural di dalamnya selama pertumbuhan nanotube (yaitu, mengganti salah satu segi enam karbon dengan segi lima). Maka satu bagian dari nanotube akan menjadi logam, dan yang lainnya akan menjadi semikonduktor!

Beberapa aplikasi nanotube dalam industri komputer telah dikembangkan. Misalnya, prototipe layar datar tipis yang beroperasi pada matriks tabung nano telah dibuat dan diuji. Di bawah pengaruh tegangan yang diterapkan ke salah satu ujung tabung nano, elektron mulai dipancarkan dari ujung lainnya, yang jatuh pada layar berpendar dan menyebabkan piksel bersinar. Butir gambar yang dihasilkan akan sangat kecil: sekitar satu mikron!

Dengan menggunakan mikroskop atom yang sama, dimungkinkan untuk merekam dan membaca informasi dari matriks yang terdiri dari atom titanium yang terletak pada substrat -Al 2 O 3. Ide ini juga telah diterapkan secara eksperimental: kepadatan perekaman informasi yang dicapai adalah 250 Gbit/cm 2 . Namun, dalam kedua contoh ini, penerapan massal masih jauh dari kenyataan - inovasi teknologi tinggi seperti itu terlalu mahal. Oleh karena itu, salah satu tugas terpenting di sini adalah mengembangkan metode yang murah untuk mengimplementasikan ide-ide ini.

Kekosongan di dalam nanotube (dan struktur kerangka karbon secara umum) juga menarik perhatian para ilmuwan. Faktanya, apa yang akan terjadi jika atom suatu zat ditempatkan di dalam fullerene? Eksperimen telah menunjukkan bahwa interkalasi (yaitu pengenalan) atom berbagai logam mengubah sifat listrik fullerene dan bahkan dapat mengubah isolator menjadi superkonduktor! Apakah mungkin mengubah sifat nanotube dengan cara yang sama? Ternyata ya. Dalam [K.Hirahara et al, 2000], para ilmuwan mampu menempatkan seluruh rantai fullerene dengan atom gadolinium yang sudah tertanam di dalam nanotube! Sifat listrik dari struktur yang tidak biasa tersebut sangat berbeda dari sifat tabung nano berongga sederhana dan sifat tabung nano dengan fullerene kosong di dalamnya. Ternyata elektron valensi yang diberikan oleh atom logam kepada semua orang sangat berarti! Omong-omong, menarik untuk dicatat bahwa sebutan kimia khusus telah dikembangkan untuk senyawa tersebut. Struktur yang dijelaskan di atas ditulis sebagai Gd@C 60 @SWNT, yang berarti "Gd di dalam C 60 di dalam Single Wall NanoTube."

Dimungkinkan tidak hanya untuk “menggerakkan” atom dan molekul satu per satu ke dalam nanotube, tetapi juga secara harfiah “menuangkan” materi. Eksperimen telah menunjukkan bahwa nanotube terbuka memiliki sifat kapiler, yaitu menarik suatu zat ke dalam dirinya sendiri. Dengan demikian, nanotube dapat digunakan sebagai wadah mikroskopis untuk mengangkut zat aktif secara kimia atau biologis: protein, gas beracun, komponen bahan bakar, dan bahkan logam cair. Begitu berada di dalam nanotube, atom atau molekul tidak dapat keluar lagi: ujung nanotube “tersegel” dengan aman, dan cincin karbon aromatik terlalu sempit untuk sebagian besar atom. Dalam bentuk ini, atom atau molekul aktif dapat diangkut dengan aman. Begitu sampai di tujuannya, nanotube terbuka di salah satu ujungnya (dan operasi "menyolder" dan "melepaskan" ujung nanotube sangat mungkin dilakukan dengan teknologi modern) dan melepaskan isinya dalam dosis yang ditentukan secara ketat. Ini bukanlah fiksi ilmiah; eksperimen semacam ini telah dilakukan di banyak laboratorium di seluruh dunia. Dan ada kemungkinan bahwa dalam 10-20 tahun, penyakit akan diobati berdasarkan teknologi ini: katakanlah, nanotube yang telah disiapkan sebelumnya dengan enzim yang sangat aktif disuntikkan ke dalam darah pasien, nanotube ini dikumpulkan di tempat tertentu di dalam tubuh. oleh beberapa mekanisme mikroskopis dan “terbuka” pada waktu tertentu. Teknologi masa kini hampir siap untuk diimplementasikan...

Kembali