Sifa na matumizi ya nanotubes za kaboni. Nanotubes za kaboni: aina na matumizi

Hali ya tatu ya kaboni (isipokuwa kwa almasi na grafiti) inaleta mapinduzi katika ulimwengu wa teknolojia mpya.
Hapa kuna nukuu kutoka kwa nakala kadhaa (na viungo kwao).

http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/135.html
Maeneo mengi yanayotia matumaini katika sayansi ya nyenzo, nanoteknolojia, nanoelectronics, na kemia inayotumika hivi majuzi yamehusishwa na fullerenes, nanotubes, na miundo mingine kama hiyo inayoweza kuitwa. neno la jumla miundo ya sura ya kaboni. Ni nini?
Miundo ya mifumo ya kaboni ni kubwa (na wakati mwingine kubwa!) Molekuli zilizoundwa kabisa na atomi za kaboni. Mtu anaweza hata kusema kwamba miundo ya sura ya kaboni ni aina mpya ya allotropic ya kaboni (pamoja na wale wanaojulikana kwa muda mrefu: almasi na grafiti). kipengele kikuu ya molekuli hizi ni umbo la mifupa yao: zinaonekana kama "ganda" lililofungwa, tupu ndani.
Hatimaye, aina mbalimbali za programu ambazo tayari zimevumbuliwa kwa nanotubes zinashangaza. Jambo la kwanza ambalo linajipendekeza ni matumizi ya nanotubes kama vijiti na nyuzi zenye nguvu sana za microscopic. Kama matokeo ya majaribio na modeli za nambari zinavyoonyesha, moduli ya Vijana ya nanotube yenye ukuta mmoja hufikia maadili ya mpangilio wa 1-5 TPa, ambayo ni mpangilio wa ukubwa zaidi kuliko ule wa chuma! Kweli, kwa sasa urefu wa juu wa nanotubes ni makumi na mamia ya microns - ambayo, bila shaka, ni kubwa sana kwa kiwango cha atomiki, lakini ni mfupi sana kwa matumizi ya kila siku. Hata hivyo, urefu wa nanotubes zilizopatikana katika maabara huongezeka kwa hatua kwa hatua - sasa wanasayansi tayari wamekaribia alama ya millimeter: tazama kazi, ambayo inaelezea awali ya nanotube yenye kuta nyingi 2 mm kwa muda mrefu. Kwa hiyo, kuna kila sababu ya kutumaini kwamba katika siku za usoni wanasayansi watajifunza kukua nanotubes sentimita na hata mita kwa muda mrefu! Kwa kweli, hii itaathiri sana teknolojia za siku zijazo: baada ya yote, "kebo" nene kama nywele za binadamu, inayoweza kushikilia mzigo wa mamia ya kilo, itapata matumizi mengi.
Sifa zisizo za kawaida za umeme za nanotubes zitawafanya kuwa moja ya vifaa kuu vya nanoelectronics. Prototypes ya transistors ya athari ya shamba kulingana na nanotube moja tayari imeundwa: kwa kutumia voltage ya kuzuia ya volts kadhaa, wanasayansi wamejifunza kubadili conductivity ya nanotubes yenye kuta kwa amri 5 za ukubwa!
Matumizi kadhaa ya nanotubes tayari yametengenezwa ndani sekta ya kompyuta. Kwa mfano, prototypes za maonyesho nyembamba ya gorofa yanayofanya kazi kwenye matrix ya nanotubes yameundwa na kujaribiwa. Chini ya ushawishi wa voltage inayotumiwa kwenye mwisho mmoja wa nanotube, elektroni huanza kutolewa kutoka mwisho mwingine, ambayo huanguka kwenye skrini ya phosphorescent na kusababisha pixel kuangaza. Nafaka ya picha inayotokana itakuwa ndogo sana: kwa utaratibu wa micron!

http://brd.dorms.spbu.ru/nanotech/print.php?sid=44
Jaribio la kupiga picha za nanotubes kwa kutumia kamera ya kawaida yenye flash ilisababisha kizuizi cha nanotubes kufanya mlio mkali katika mwanga wa flash na, kuangaza kwa uangavu, kulipuka.
Wanasayansi waliopigwa na mshangao wanadai kwamba jambo lililogunduliwa bila kutarajia la "mlipuko" wa mirija inaweza kupata matumizi mapya, yasiyotarajiwa kabisa ya nyenzo hii - hata kuitumia kama vilipuzi kulipua vichwa vya vita. Na pia, ni wazi, itatoa swali au kutatiza matumizi yao katika maeneo fulani.

http://www.sciteclibrary.com/rus/catalog/pages/2654.html
Matarajio yanafungua kwa ugani muhimu wa maisha ya betri zinazoweza kuchajiwa

http://vivovoco.nns.ru/VV/JOURNAL/VRAN/SESSION/NANO1.HTM
Miundo ya nanotube ya kaboni - nyenzo mpya kwa uzalishaji wa umeme.

http://www.gazetangn.narod.ru/archive/ngn0221/space.html
Huko nyuma mnamo 1996, iligunduliwa kuwa nanotubes za kaboni zinaweza kujisokota kuwa kamba za mirija ya nyuzi 100-500, na nguvu ya kamba hizi ikawa kubwa kuliko ile ya almasi. Kwa usahihi, wao ni mara 10-12 nguvu na mara 6 nyepesi kuliko chuma. Hebu fikiria: thread yenye kipenyo cha milimita 1 inaweza kuhimili mzigo wa tani 20, mamia ya mabilioni ya mara kubwa kuliko uzito wake mwenyewe! Ni kutoka kwa nyuzi kama hizo ambazo unaweza kupata nyaya zenye nguvu zaidi za urefu mkubwa. Kutoka kwa nyenzo nyepesi na za kudumu, unaweza kujenga sura ya lifti - mnara mkubwa mara tatu ya kipenyo cha Dunia. Vibanda vya abiria na mizigo vitasafiri kando yake kwa kasi kubwa - shukrani kwa sumaku za superconducting, ambazo, tena, zitasimamishwa kwenye kamba zilizotengenezwa na nanotubes za kaboni. Mtiririko mkubwa wa shehena angani utaturuhusu kuanza uchunguzi hai wa sayari zingine.
Ikiwa mtu yeyote ana nia ya mradi huu, maelezo (kwa Kirusi) yanaweza kupatikana, kwa mfano, kwenye tovuti http://private.peterlink.ru/geogod/space/future.htm. Tu hakuna neno kuhusu zilizopo za kaboni.
Na katika http://www.eunet.lv/library/win/KLARK/fontany.txt unaweza kusoma riwaya ya Arthur C. Clarke "Chemchemi za Paradiso," ambayo yeye mwenyewe alizingatia kazi yake bora zaidi.

http://www.inauka.ru/science/28-08-01/article4805
Kulingana na wataalamu, nanoteknolojia itafanya iwezekanavyo ifikapo 2007 kuunda microprocessors ambayo itakuwa na transistors takriban bilioni 1 na itaweza kufanya kazi kwa masafa ya hadi gigahertz 20 na voltage ya usambazaji ya chini ya 1 volt.

Nanotube transistor
Transistor ya kwanza inayojumuisha kabisa nanotubes ya kaboni imeundwa. Hii inafungua matarajio ya kuchukua nafasi ya chips za silicon za kawaida na vipengele vya kasi, nafuu na vidogo.
Transistor ya kwanza ya ulimwengu ya nanotube ni nanotube yenye umbo la Y ambayo hufanya kama transistor ya kawaida - uwezo unaotumika kwa moja ya "miguu" hukuruhusu kudhibiti upitishaji wa mkondo kati ya hizo mbili. Wakati huo huo, tabia ya sasa ya voltage ya "nanotube transistor" ni karibu bora: sasa ama inapita au la.

http://www.pool.kiev.ua/clients/poolhome.nsf/0/a95ad844a57c1236c2256bc6003dfba8?OpenDocument
Kulingana na nakala iliyochapishwa mnamo Mei 20 mnamo jarida la kisayansi Barua Zilizotumika za Fizikia, wataalamu wa IBM wameboresha transistors za nanotube za kaboni. Kama matokeo ya majaribio na miundo anuwai ya Masi, watafiti waliweza kufikia uboreshaji wa hali ya juu zaidi kwa transistors za kaboni nanotube hadi sasa. Ya juu ya conductivity, kasi ya transistor inafanya kazi na nyaya zenye nguvu zaidi zilizounganishwa zinaweza kujengwa kwa misingi yake. Kwa kuongezea, watafiti waligundua kuwa upitishaji wa transistors za kaboni nanotube ulikuwa zaidi ya mara mbili ya transistors za silicon za haraka sana za saizi sawa.

http://kv.by/index2003323401.htm
Kundi la profesa wa UC Berkeley Alex Zettl limepata mafanikio mengine katika uwanja wa nanoteknolojia. Wanasayansi wameunda injini ndogo zaidi ya nanoscale kulingana na nanotubes zenye kuta nyingi, kama ilivyoripotiwa kwenye jarida la Nature mnamo Julai 24. Nanotube ya kaboni hufanya kama aina ya mhimili ambao rotor imewekwa. Vipimo vya juu zaidi Nanomotor ni karibu 500 nm, rotor ina urefu kutoka 100 hadi 300 nm, lakini nanotube-axis ina kipenyo cha atomi chache tu, i.e. takriban 5-10 nm.

http://www.computerra.ru/hitech/tech/26393/
Siku nyingine, kampuni ya Boston Nantero ilitoa taarifa kuhusu maendeleo ya bodi za kumbukumbu za aina mpya ya kimsingi, iliyoundwa kwa misingi ya nanoteknolojia. Nantero Inc. inajishughulisha kikamilifu katika maendeleo ya teknolojia mpya, haswa, inatilia maanani sana kutafuta njia za kuunda nishati inayojitegemea. kumbukumbu ya ufikiaji bila mpangilio(RAM) kulingana na nanotubes za kaboni. Katika hotuba yake, mwakilishi wa kampuni alitangaza kwamba wako hatua moja kabla ya kuunda bodi za kumbukumbu zenye uwezo wa GB 10. Kutokana na ukweli kwamba muundo wa kifaa unategemea nanotubes, kumbukumbu mpya inapendekezwa kuitwa NRAM (Nonvolatile (isiyo ya tete) RAM).

http://www.ixs.nm.ru/nan0.htm
Moja ya matokeo ya utafiti ilikuwa matumizi ya vitendo Sifa bora za nanotubes za kupima wingi wa chembe ndogo sana. Wakati chembe inayopimwa imewekwa mwishoni mwa nanotube, mzunguko wa resonant hupungua. Ikiwa nanotube imehesabiwa (yaani, elasticity yake inajulikana), wingi wa chembe inaweza kuamua kutoka kwa kuhama kwa mzunguko wa resonant.

http://www.mediacenter.ru/a74.phtml
Miongoni mwa matumizi ya kwanza ya kibiashara itakuwa kuongezwa kwa nanotubes kwa rangi au plastiki ili kufanya nyenzo hizi zipitishe umeme. Hii itafanya iwezekanavyo kuchukua nafasi ya sehemu za chuma na zile za polymer katika bidhaa zingine.
Nanotubes za kaboni ni nyenzo za gharama kubwa. CNI kwa sasa inaiuza kwa $500 kwa gramu. Kwa kuongeza, teknolojia ya kusafisha nanotubes za kaboni - kutenganisha mirija nzuri kutoka kwa mbaya - na jinsi nanotubes huletwa kwenye bidhaa zingine zinahitaji uboreshaji. Kutatua baadhi ya matatizo kunaweza kuhitaji uvumbuzi wa kiwango cha Nobel, anasema Joshua Wolf, mshirika mkuu katika kampuni ya mtaji ya ubia wa teknolojia ya nanoteknolojia ya Lux Capital.

Watafiti walipendezwa na nanotubes za kaboni kwa sababu ya upitishaji wao wa umeme, ambao ulikuwa wa juu kuliko ule wa kondakta yeyote anayejulikana. Pia wana conductivity bora ya mafuta, ni imara kwa kemikali, wana nguvu kali ya mitambo (mara 1000 yenye nguvu zaidi kuliko chuma) na, cha kushangaza zaidi, hupata sifa za semiconducting wakati wa kusokotwa au bent. Kufanya kazi, wao ni umbo katika pete. Sifa za kielektroniki za nanotube za kaboni zinaweza kuwa kama zile za metali au kama halvledare (kulingana na mwelekeo wa poligoni za kaboni zinazohusiana na mhimili wa bomba), i.e. hutegemea ukubwa na sura zao.

http://www.ci.ru/inform09_01/p04predel.htm
Nanotubes zinazopitisha metali zinaweza kustahimili msongamano wa sasa mara 102-103 zaidi ya metali za kawaida, na nanotube zinazopitisha halvledare zinaweza kuwashwa na kuzimwa kwa njia ya umeme kupitia uga unaozalishwa na elektrodi, hivyo kuruhusu uundaji wa transistors zenye athari ya shambani.
Wanasayansi wa IBM walitengeneza njia inayoitwa "uharibifu unaojenga" ambayo iliwaruhusu kuharibu nanotubes zote za chuma huku wakiacha zile za semiconductor zikiwa sawa.

http://www.pr.kg/articles/n0111/19-sci.htm
Nanotubes za kaboni zimepata matumizi mengine katika mapambano ya afya ya binadamu - wakati huu, wanasayansi wa China walitumia nanotubes kusafisha maji ya kunywa kutoka kwa risasi.

http://www.scientific.ru/journal/news/n030102.html
Tunaandika mara kwa mara kuhusu nanotubes za kaboni, lakini kuna aina nyingine za nanotubes zilizofanywa kutoka kwa vifaa mbalimbali vya semiconductor. Wanasayansi wanaweza kukuza nanotubes na unene wa ukuta uliobainishwa kwa usahihi, kipenyo na urefu.
Nanotubes zinaweza kutumika kama nanotubes za kusafirisha vimiminiko, na pia zinaweza kutumika kama vidokezo vya sindano zilizo na idadi iliyodhibitiwa kwa usahihi ya nanodroplets. Nanotubes inaweza kutumika kama nanodrills, nanotweezers, na vidokezo vya kuchanganua hadubini za tunnel. Nanotubes zilizo na kuta nene za kutosha na kipenyo kidogo zinaweza kutumika kama vifaa vya kusaidia nanoobjects, wakati nanotubes zenye kipenyo kikubwa na kuta nyembamba zinaweza kutumika kama nanocontainers na nanocapsules. Nanotubes zilizotengenezwa kwa misombo ya silicon, ikiwa ni pamoja na silicon carbudi, ni nzuri hasa kwa kutengeneza bidhaa za mitambo kwa sababu nyenzo hizi ni nguvu na elastic. Nanotubes za hali madhubuti pia zinaweza kupata matumizi katika vifaa vya elektroniki.

http://www.compulenta.ru/2003/5/12/39363/
Idara ya utafiti ya IBM Corporation ilitangaza mafanikio muhimu katika uwanja wa nanoteknolojia. Wataalamu wa Utafiti wa IBM waliweza kufanya nanotubes za kaboni kung'aa, nyenzo yenye kuahidi sana ambayo ina msingi wa maendeleo mengi ya nanoteknolojia duniani kote.
Nanotube inayotoa mwanga ina kipenyo cha nm 1.4 tu, yaani, nyembamba mara elfu 50 kuliko nywele za binadamu. Hiki ndicho kifaa kidogo zaidi cha kutoa mwanga katika hali dhabiti katika historia. Kuundwa kwake kulitokana na programu ya kusoma sifa za umeme za nanotubes za kaboni iliyofanywa katika IBM katika miaka kadhaa iliyopita.

http://bunburyodo.narod.ru/chem/solom.htm
Mbali na uundaji wa nanowires za chuma zilizotajwa hapo juu, ambazo bado ni mbali sana na kufikiwa, maendeleo ya kinachojulikana kama emitters baridi kwenye nanotubes ni maarufu. Emitters baridi ni kipengele muhimu cha TV ya gorofa-jopo ya siku zijazo, kuchukua nafasi ya emitters ya kisasa. zilizopo za cathode ray, kwa kuongeza, wanakuwezesha kujiondoa voltages kubwa na zisizo salama za kuongeza kasi ya 20-30 kV. Katika joto la chumba nanotubes zina uwezo wa kutoa elektroni, huzalisha sasa ya wiani sawa na anode ya kawaida ya tungsten kwa digrii karibu elfu, na hata kwa voltage ya 500 V. (Na ili kuzalisha X-rays unahitaji makumi ya kilovolti na joto. digrii 1500 (nan))

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/742.html
Moduli ya juu ya elastic ya nanotubes ya kaboni hufanya iwezekanavyo kuunda vifaa vyenye mchanganyiko ambavyo vinatoa nguvu ya juu katika deformations ya juu ya elastic. Kutoka kwa nyenzo hizo itawezekana kufanya vitambaa vya ultra-mwanga na ultra-nguvu kwa wapiganaji wa moto na wanaanga.
Sehemu ya juu ya uso wa nyenzo za nanotube inavutia kwa matumizi mengi ya kiteknolojia. Wakati wa mchakato wa ukuaji, nanotubes ya helical iliyoelekezwa kwa nasibu huundwa, ambayo inasababisha kuundwa kwa idadi kubwa ya cavities na voids ya ukubwa wa nanometer. Kama matokeo, eneo maalum la uso wa nyenzo za nanotube hufikia maadili ya karibu 600 m2 / g. Sehemu hiyo ya juu ya uso hufungua uwezekano wa matumizi yao katika filters na vifaa vingine vya teknolojia ya kemikali.

http://www.1september.ru/ru/him/2001/09/no09_1.htm
Nanocable kutoka kwa Dunia hadi Mwezi kutoka kwa bomba moja inaweza kujeruhiwa kwenye reel ya ukubwa wa mbegu ya poppy.
Nanotubes zina nguvu mara 50-100 kuliko chuma (ingawa nanotubes ni mnene mara sita). Moduli ya Young - sifa ya upinzani wa nyenzo kwa mvutano wa axial na compression - kwa wastani ni mara mbili ya juu kwa nanotubes kama kwa nyuzi za kaboni. Mirija sio tu ya kudumu, lakini pia inaweza kunyumbulika; tabia zao hazifanani na mirija iliyovunjika, lakini mirija migumu ya mpira.
Kamba yenye kipenyo cha mm 1, iliyo na nanotubes, inaweza kuhimili mzigo wa tani 20, ambayo ni mara bilioni mia kadhaa ya wingi wake.
Kundi la kimataifa la wanasayansi limeonyesha kuwa nanotubes zinaweza kutumika kuunda misuli ya bandia, ambayo, kwa kiasi sawa, inaweza kuwa na nguvu mara tatu kuliko ya kibaiolojia, na haogopi joto la juu, utupu na reagents nyingi za kemikali.
Nanotubes - nyenzo kamili kwa uhifadhi salama wa gesi kwenye mashimo ya ndani. Kwanza kabisa, hii inatumika kwa hidrojeni, ambayo ingekuwa imetumika kwa muda mrefu kama mafuta ya magari, ikiwa silinda kubwa, yenye nene, nzito na isiyo salama ya kuhifadhi hidrojeni haikunyima hidrojeni faida yake kuu - kiasi kikubwa nishati na iliyotolewa kwa kila kitengo (kwa kilomita 500 ya mileage ya gari tu kuhusu kilo 3 ya H2 inahitajika). "Tank ya gesi" yenye nanotubes inaweza kujazwa stationary chini ya shinikizo, na mafuta yanaweza kuondolewa kwa kupokanzwa kidogo "tank ya gesi". Ili kupita kawaida mitungi ya gesi kulingana na wingi na msongamano wa kiasi cha nishati iliyohifadhiwa na (wingi wa hidrojeni iliyogawanywa na wingi wake pamoja na ganda au kiasi chake pamoja na ganda), nanotubes zilizo na mashimo zinahitajika kwa kiasi. kipenyo kikubwa- zaidi ya 2-3 nm.
Wanabiolojia waliweza kuanzisha protini ndogo na molekuli za DNA kwenye cavity ya nanotubes. Hii ni mbinu ya kuzalisha aina mpya ya vichocheo na, katika siku zijazo, mbinu ya kuwasilisha molekuli amilifu kibayolojia na dawa kwa viungo fulani.

Nishati ni tasnia muhimu ambayo ina jukumu kubwa katika maisha ya mwanadamu. Hali ya nishati nchini inategemea kazi ya wanasayansi wengi katika tasnia hii. Leo wanatafuta madhumuni haya, wako tayari kutumia chochote, kutoka kwa jua na maji hadi nishati ya hewa. Vifaa vinavyoweza kuzalisha nishati kutoka kwa mazingira vinathaminiwa sana.

Habari za jumla

Nanotube za kaboni ni ndege ndefu za grafiti zilizoviringishwa ambazo zina umbo la silinda. Kama sheria, unene wao hufikia makumi kadhaa ya nanometers, na urefu wa sentimita kadhaa. Mwishoni mwa nanotubes kichwa cha spherical kinaundwa, ambayo ni moja ya sehemu za fullerene.

Kuna aina mbili za nanotubes za kaboni: metali na semiconductor. Tofauti yao kuu ni conductivity ya sasa. Aina ya kwanza inaweza kufanya sasa kwa joto sawa na 0ºС, na pili - tu kwa joto la juu.

Nanotubes za kaboni: mali

Sehemu nyingi za kisasa, kama vile kemia iliyotumika au nanoteknolojia, zinahusishwa na nanotubes, ambazo zina muundo wa fremu ya kaboni. Ni nini? Muundo huu unarejelea molekuli kubwa zilizounganishwa kwa kila mmoja tu na atomi za kaboni. Nanotubes za kaboni, ambazo mali zake zinategemea shell iliyofungwa, ni ya thamani sana. Kwa kuongeza, fomu hizi zina sura ya cylindrical. Vipu vile vinaweza kupatikana kwa kukunja karatasi ya grafiti, au kukua kutoka kwa kichocheo maalum. Nanotubes za kaboni, picha ambazo zimewasilishwa hapa chini, zina muundo usio wa kawaida.

Wanakuja kwa maumbo na ukubwa tofauti: safu moja na safu nyingi, moja kwa moja na iliyopigwa. Licha ya ukweli kwamba nanotubes inaonekana tete kabisa, ni nyenzo zenye nguvu. Kama matokeo ya tafiti nyingi, iligundulika kuwa zina mali kama vile kunyoosha na kuinama. Chini ya ushawishi wa mizigo mikubwa ya mitambo, vipengele havivunja au kuvunja, yaani, vinaweza kukabiliana na voltages tofauti.

Sumu

Kama matokeo ya tafiti nyingi, iligundulika kuwa nanotubes za kaboni zinaweza kusababisha shida sawa na nyuzi za asbesto, ambayo ni, tumors mbaya nyingi hufanyika, pamoja na saratani ya mapafu. Shahada ushawishi mbaya asbesto inategemea aina na unene wa nyuzi zake. Kwa kuwa nanotubes za kaboni ni ndogo kwa uzito na ukubwa, huingia kwa urahisi kwenye mwili wa binadamu pamoja na hewa. Ifuatayo, huingia kwenye pleura na kuingia kwenye kifua, na baada ya muda husababisha matatizo mbalimbali. Wanasayansi walifanya jaribio na kuongeza chembechembe za nanotube kwenye chakula cha panya. Bidhaa za kipenyo kidogo kivitendo hazikukaa kwenye mwili, lakini kubwa zilichimba ndani ya kuta za tumbo na kusababisha magonjwa anuwai.

Mbinu za kupokea

Leo, kuna njia zifuatazo za kutengeneza nanotubes za kaboni: malipo ya arc, ablation, uwekaji wa mvuke.

Utoaji wa arc ya umeme. Maandalizi (nanotubes za kaboni zimeelezwa katika makala hii) katika plasma malipo ya umeme, ambayo huwaka kwa kutumia heliamu. Utaratibu huu unaweza kufanywa kwa kutumia vifaa maalum vya kiufundi vya kutengeneza fullerenes. Lakini njia hii hutumia njia zingine za kuchoma arc. Kwa mfano, imepunguzwa, na cathodes ya unene mkubwa hutumiwa pia. Ili kuunda anga kutoka kwa heliamu, ni muhimu kuongeza shinikizo la hili kipengele cha kemikali. Nanotubes za kaboni hutolewa kwa sputtering. Ili kuongeza idadi yao, lazima uingie fimbo ya grafiti kichocheo. Mara nyingi ni mchanganyiko wa makundi mbalimbali ya chuma. Ifuatayo, shinikizo na njia ya dawa hubadilika. Kwa hivyo, amana ya cathode hupatikana, ambapo nanotubes za kaboni huundwa. Bidhaa za kumaliza zinakua perpendicular kwa cathode na hukusanywa kwenye vifungu. Urefu wao ni microns 40.

Uondoaji. Njia hii iligunduliwa na Richard Smalley. Kiini chake ni kuyeyusha nyuso tofauti za grafiti katika reactor inayofanya kazi kwa joto la juu. Nanotubes za kaboni huundwa na uvukizi wa grafiti chini ya reactor.

Wao hupozwa na kukusanywa kwa kutumia uso wa baridi. Ikiwa katika kesi ya kwanza, idadi ya vipengele ilikuwa sawa na 60%, basi kwa njia hii takwimu iliongezeka kwa 10%. Gharama ya njia ya kuondolewa kwa laser ni ghali zaidi kuliko wengine wote. Kama sheria, nanotubes zenye ukuta mmoja hupatikana kwa kubadilisha joto la mmenyuko.

Uwekaji wa mvuke. Mbinu ya uwekaji wa mvuke wa kaboni ilivumbuliwa mwishoni mwa miaka ya 50. Lakini hakuna mtu hata aliyefikiria kwamba inaweza kutumika kutengeneza nanotubes za kaboni. Kwa hiyo, kwanza unahitaji kuandaa uso na kichocheo. Inaweza kuwa chembe ndogo za metali mbalimbali, kwa mfano, cobalt, nickel na wengine wengi. Nanotubes huanza kuibuka kutoka kwa safu ya kichocheo. Unene wao moja kwa moja inategemea ukubwa wa chuma cha kichocheo. Uso huo huwashwa kwa joto la juu, na kisha gesi yenye kaboni hutolewa. Miongoni mwao ni methane, asetilini, ethanoli, nk. Amonia hutumika kama gesi ya ziada ya kiufundi. Mbinu hii kupata nanotubes ndio kawaida zaidi. Mchakato yenyewe unafanyika kwa anuwai makampuni ya viwanda, kutokana na ambayo rasilimali ndogo za fedha hutumiwa katika kuzalisha idadi kubwa ya zilizopo. Faida nyingine ya njia hii ni kwamba vipengele vya wima vinaweza kupatikana kutoka kwa chembe za chuma ambazo hutumika kama kichocheo. Uzalishaji (nanotubes za kaboni zinaelezewa kutoka pande zote) uliwezekana kutokana na utafiti wa Suomi Iijima, ambaye aliona kuonekana kwao chini ya darubini kama matokeo ya awali ya kaboni.

Aina kuu

Vipengele vya kaboni vinawekwa kwa idadi ya tabaka. Aina rahisi zaidi ni nanotubes za kaboni zenye ukuta mmoja. Kila mmoja wao ni takriban 1 nm nene, na urefu wao unaweza kuwa mkubwa zaidi. Ikiwa tutazingatia muundo, bidhaa inaonekana kama grafiti ya kufunika kwa kutumia mesh ya hexagonal. Katika vipeo vyake kuna atomi za kaboni. Hivyo, tube ina sura ya silinda, ambayo haina seams. Sehemu ya juu ya vifaa imefungwa na vifuniko vinavyojumuisha molekuli za fullerene.

Aina inayofuata ni nanotubes za kaboni zenye kuta nyingi. Zinajumuisha tabaka kadhaa za grafiti, ambazo zimefungwa kwenye sura ya silinda. Umbali wa 0.34 nm huhifadhiwa kati yao. Muundo wa aina hii ilivyoelezwa kwa njia mbili. Kulingana na ya kwanza, mirija ya multilayer ni mirija kadhaa ya safu moja iliyowekwa ndani ya kila mmoja, ambayo inaonekana kama mwanasesere wa kiota. Kwa mujibu wa pili, nanotubes nyingi ni karatasi ya grafiti ambayo inazunguka yenyewe mara kadhaa, sawa na gazeti lililopigwa.

Nanotubes za kaboni: maombi

Vipengele ni mwakilishi mpya kabisa wa darasa la nanomaterials.

Kama ilivyoelezwa hapo awali, wana muundo wa sura, ambayo hutofautiana katika mali kutoka kwa grafiti au almasi. Ndiyo sababu hutumiwa mara nyingi zaidi kuliko vifaa vingine.

Kwa sababu ya sifa kama vile nguvu, kupiga, conductivity, hutumiwa katika nyanja nyingi:

kama nyongeza kwa polima;
kichocheo cha vifaa vya taa, pamoja na maonyesho ya jopo la gorofa na zilizopo katika mitandao ya mawasiliano ya simu;
kama kifyonzaji cha mawimbi ya sumakuumeme;
kwa ubadilishaji wa nishati;
uzalishaji wa anodes katika aina mbalimbali za betri;
hifadhi ya hidrojeni;
utengenezaji wa sensorer na capacitors;
uzalishaji wa composites na kuimarisha muundo na mali zao.

Kwa miaka mingi, nanotubes za kaboni, ambazo utumizi wake hauzuiliwi kwa tasnia moja maalum, zimetumika katika utafiti wa kisayansi. Nyenzo hii ina nafasi dhaifu sokoni, kwani kuna matatizo na uzalishaji mkubwa. Jambo lingine muhimu ni gharama kubwa ya nanotubes za kaboni, ambayo ni takriban $ 120 kwa gramu ya dutu hiyo.

Zinatumika kama nyenzo ya msingi katika utengenezaji wa composites nyingi, ambazo hutumiwa kutengeneza bidhaa nyingi za michezo. Sekta nyingine ni sekta ya magari. Utendakazi wa nanotubes za kaboni katika eneo hili unakuja hadi kutoa sifa za upitishaji kwa polima.

Mgawo wa conductivity ya mafuta ya nanotubes ni ya juu sana, kwa hivyo inaweza kutumika kama kifaa cha kupoeza kwa vifaa vingi vikubwa. Pia hutumiwa kutengeneza vidokezo ambavyo vimeunganishwa kwenye mirija ya uchunguzi.

Eneo muhimu zaidi la maombi ni teknolojia ya kompyuta. Shukrani kwa nanotubes, maonyesho ya gorofa yanaundwa. Kutumia yao unaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa vipimo kompyuta yenyewe, pamoja na kuongeza utendaji wake wa kiufundi. Vifaa vya kumaliza vitakuwa mara kadhaa bora kuliko teknolojia za sasa. Kulingana na masomo haya, zilizopo za picha za juu-voltage zinaweza kuundwa.

Baada ya muda, zilizopo zitatumika sio tu kwa umeme, bali pia katika nyanja za matibabu na nishati.

Uzalishaji

Mirija ya kaboni, ambayo uzalishaji wake umegawanywa kati ya aina mbili, inasambazwa kwa usawa.

Hiyo ni, MWNT huzalishwa zaidi ya SWNTs. Aina ya pili inafanywa katika kesi ya haja ya haraka. Makampuni mbalimbali yanazalisha nanotubes za kaboni daima. Lakini kwa kweli sio katika mahitaji, kwani gharama zao ni za juu sana.

Viongozi wa uzalishaji

Leo, mahali pa kuongoza katika uzalishaji wa nanotubes ya kaboni inachukuliwa na nchi za Asia, ambazo ni mara 3 zaidi kuliko katika nchi nyingine za Ulaya na Amerika. Hasa, Japan inajishughulisha na uzalishaji wa MWNTs. Lakini nchi zingine, kama vile Korea na Uchina, sio duni kwa kiashiria hiki.

Uzalishaji nchini Urusi

Uzalishaji wa ndani wa nanotubes za kaboni uko nyuma sana kwa nchi zingine. Kwa kweli, yote inategemea ubora wa utafiti unaofanywa katika eneo hili. Hakuna rasilimali za kutosha za kifedha zilizotengwa hapa kwa ajili ya kuunda vituo vya sayansi na teknolojia nchini. Watu wengi hawakubali maendeleo ya nanoteknolojia kwa sababu hawajui jinsi inavyoweza kutumika katika tasnia. Kwa hivyo, mabadiliko ya uchumi kwa njia mpya ni ngumu sana.

Kwa hiyo, Rais wa Urusi alitoa amri inayoonyesha njia za maendeleo kwa maeneo mbalimbali ya nanoteknolojia, ikiwa ni pamoja na vipengele vya kaboni. Kwa madhumuni haya, programu maalum ya maendeleo na teknolojia iliundwa.

Ili kuhakikisha kwamba pointi zote za utaratibu zilifanyika, kampuni ya Rusnanotech iliundwa. Kiasi kikubwa cha pesa kilitengwa kwa uendeshaji wake. bajeti ya serikali. Ni yeye ambaye anapaswa kudhibiti mchakato wa maendeleo, uzalishaji na utekelezaji wa viwanda wa nanotubes za kaboni. Kiasi kilichotengwa kitatumika katika kuundwa kwa taasisi mbalimbali za utafiti na maabara, na pia itaimarisha kazi iliyopo ya wanasayansi wa ndani. Fedha hizi pia zitatumika kununua vifaa vya ubora wa juu kwa ajili ya utengenezaji wa nanotubes za kaboni. Inafaa pia kutunza vifaa hivyo ambavyo vitalinda afya ya binadamu, kwani nyenzo hii husababisha magonjwa mengi.

Kama ilivyoelezwa hapo awali, shida nzima ni kuongeza pesa. Wawekezaji wengi hawataki kuwekeza maendeleo ya kisayansi, hasa kwenye muda mrefu. Wafanyabiashara wote wanataka kuona faida, lakini nanodevelopment inaweza kuchukua miaka. Hii ndio inawafukuza wawakilishi wa biashara ndogo na za kati. Kwa kuongeza, bila uwekezaji wa serikali haitawezekana kuzindua kikamilifu uzalishaji wa nanomaterials.

Tatizo jingine ni ukosefu wa mfumo wa kisheria, kwa kuwa hakuna kiungo cha kati kati ya viwango tofauti vya biashara. Kwa hiyo, nanotubes za kaboni, uzalishaji ambao hauhitajiki nchini Urusi, hauhitaji fedha tu, bali pia uwekezaji wa akili. Hadi sasa, Shirikisho la Urusi ni mbali na nchi za Asia ambazo zinaongoza katika maendeleo ya nanotechnologies.

Leo, maendeleo katika sekta hii yanafanyika katika vyuo vya kemikali vya vyuo vikuu mbalimbali huko Moscow, Tambov, St. Petersburg, Novosibirsk na Kazan. Wazalishaji wakuu wa nanotubes za kaboni ni kampuni ya Granat na mmea wa Tambov Komsomolets.

Pande chanya na hasi

Miongoni mwa faida ni mali maalum ya nanotubes ya kaboni. Wao ni nyenzo za kudumu ambazo hazianguka chini ya matatizo ya mitambo. Kwa kuongeza, wanafanya kazi vizuri katika kupiga na kunyoosha. Hii ilifanywa shukrani iwezekanavyo kwa muundo wa sura iliyofungwa. Matumizi yao sio tu kwa tasnia moja. Mirija hiyo imepata matumizi katika tasnia ya magari, vifaa vya elektroniki, dawa na nishati.

Hasara kubwa ni athari mbaya kwa afya ya binadamu.

Chembe za nanotubes zinazoingia ndani ya mwili wa binadamu husababisha tukio la tumors mbaya na kansa.

Jambo muhimu ni ufadhili wa tasnia hii. Watu wengi hawataki kuwekeza kwenye sayansi kwa sababu inachukua muda mwingi kupata faida. Na bila kufanya kazi kwa maabara ya utafiti, maendeleo ya nanoteknolojia haiwezekani.

Hitimisho

Nanotubes za kaboni zina jukumu muhimu katika teknolojia za ubunifu. Wataalam wengi wanatabiri ukuaji wa tasnia hii katika miaka ijayo. Kutakuwa na ongezeko kubwa la uwezo wa uzalishaji, ambayo itasababisha kupungua kwa gharama ya bidhaa. Kwa kupungua kwa bei, zilizopo zitakuwa na mahitaji makubwa na zitakuwa nyenzo za lazima kwa vifaa na vifaa vingi.

Kwa hivyo, tuligundua bidhaa hizi ni nini.

Carbon nanotubes ni nyenzo ambayo wanasayansi wengi huota. Mgawo wa nguvu ya juu, conductivity bora ya mafuta na umeme, upinzani wa moto na mgawo wa uzito ni utaratibu wa ukubwa wa juu kuliko vifaa vingi vinavyojulikana. Nanotubes za kaboni ni karatasi ya graphene iliyoviringishwa kwenye bomba. Wanasayansi wa Urusi Konstantin Novoselov na Andrei Geim walipokea Tuzo la Nobel mnamo 2010 kwa ugunduzi wake.

Kwa mara ya kwanza, wanasayansi wa Soviet waliweza kutazama mirija ya kaboni kwenye uso wa kichocheo cha chuma mnamo 1952. Walakini, ilichukua miaka hamsini kwa wanasayansi kuona nanotubes kama za kuahidi na nyenzo muhimu. Moja ya mali ya kushangaza ya nanotubes hizi ni kwamba mali zao zimedhamiriwa na jiometri. Kwa hivyo, mali zao za umeme hutegemea angle ya kupotosha - nanotubes zinaweza kuonyesha semiconductor na conductivity ya metali.

Hii ni nini

Nyingi maelekezo ya kuahidi katika nanoteknolojia leo zinahusishwa hasa na nanotubes za kaboni. Kwa ufupi, nanotubes za kaboni ni molekuli kubwa au miundo ya mfumo ambayo inajumuisha atomi za kaboni pekee. Ni rahisi kufikiria nanotube kama hiyo ikiwa unafikiria kwamba graphene imekunjwa ndani ya bomba - hii ni moja ya tabaka za molekuli za grafiti. Njia ya kukunja nanotubes kwa kiasi kikubwa huamua mali ya mwisho ya nyenzo hii.

Kwa kawaida, hakuna mtu anayeunda nanotubes kwa kuzikunja haswa kutoka kwa karatasi ya grafiti. Nanotubes huunda wenyewe, kwa mfano, juu ya uso wa electrodes kaboni au kati yao wakati wa kutokwa kwa arc. Wakati wa kutokwa, atomi za kaboni huvukiza kutoka kwa uso na kuunganishwa na kila mmoja. Matokeo yake, nanotubes ya aina mbalimbali huundwa - yenye kuta nyingi, yenye kuta moja na yenye pembe tofauti za twist.

Uainishaji kuu wa nanotubes ni msingi wa idadi ya tabaka zinazounda:

Nanotubes zenye ukuta mmoja ni aina rahisi zaidi ya nanotubes. Wengi wao wana kipenyo cha utaratibu wa nm 1 na urefu ambao unaweza kuwa maelfu ya mara zaidi;
Multilayer nanotubes, inayojumuisha tabaka kadhaa za graphene, hujikunja kwa sura ya bomba. Umbali wa 0.34 nm huundwa kati ya tabaka, yaani, sawa na umbali kati ya tabaka katika kioo cha grafiti.

Kifaa

Nanotubes ni miundo iliyopanuliwa ya kaboni ya silinda ambayo inaweza kuwa na urefu wa hadi sentimita kadhaa na kipenyo cha moja hadi makumi kadhaa ya nanomita. Wakati huo huo, leo kuna teknolojia zinazofanya iwezekanavyo kuziweka kwenye nyuzi za urefu usio na ukomo. Wanaweza kujumuisha ndege moja au zaidi ya graphene iliyovingirishwa kwenye bomba, ambayo kawaida huisha kwenye kichwa cha hemispherical.

Kipenyo cha nanotubes ni nanometers kadhaa, yaani, mabilioni kadhaa ya mita. Kuta za nanotubes za kaboni zimeundwa na hexagons, kwenye wima ambayo kuna atomi za kaboni. Mirija inaweza kuwa nayo aina tofauti muundo, ni yeye ambaye huathiri mitambo yao, elektroniki na Tabia za kemikali. Mirija ya safu moja ina kasoro chache, wakati huo huo, baada ya kuingizwa kwa joto la juu katika anga isiyo na kasoro, inawezekana kupata mirija isiyo na kasoro. Nanotube zilizo na ukuta mwingi hutofautiana na nanotube za kawaida zenye ukuta mmoja katika usanidi na maumbo anuwai zaidi.

Nanotubes za kaboni zinaweza kuunganishwa kwa njia tofauti, lakini zinazojulikana zaidi ni:

Utoaji wa arc. Njia hiyo inahakikisha uzalishaji wa nanotubes saa mitambo ya kiteknolojia kwa ajili ya uzalishaji wa fullerenes katika plasma ya kutokwa kwa arc ambayo huwaka katika anga ya heliamu. Lakini hapa njia nyingine za mwako wa arc hutumiwa: shinikizo la juu la heliamu na msongamano wa chini wa sasa, pamoja na cathodes kubwa ya kipenyo. Hifadhi ya cathode ina nanotubes hadi mikroni 40 kwa urefu; hukua kiimani kutoka kwa kathodi na kuunganishwa katika vifungu vya silinda.
Njia ya uondoaji wa laser . Njia hiyo inategemea uvukizi wa lengo la grafiti katika reactor maalum ya joto la juu. Nanotubes huundwa kwenye uso uliopozwa wa reactor kwa namna ya condensate ya uvukizi wa grafiti. Njia hii inaruhusu mtu kupata nanotubes zenye ukuta mmoja na udhibiti wa kipenyo kinachohitajika kwa joto. Lakini njia hii ni ghali zaidi kuliko zingine.
Uwekaji wa mvuke wa kemikali . Njia hii inahusisha kuandaa substrate na safu ya kichocheo - hizi zinaweza kuwa chembe za chuma, cobalt, nickel au mchanganyiko wake. Kipenyo cha nanotubes zinazokuzwa kwa kutumia njia hii itategemea ukubwa wa chembe zinazotumiwa. Substrate ina joto hadi digrii 700. Ili kuanzisha ukuaji wa nanotubes, gesi iliyo na kaboni na gesi ya mchakato (hidrojeni, nitrojeni au amonia) huletwa kwenye reactor. Nanotubes hukua kwenye maeneo ya vichocheo vya chuma.

Maombi na Vipengele

Maombi katika photonics na optics . Kwa kuchagua kipenyo cha nanotubes, inawezekana kuhakikisha ngozi ya macho katika aina mbalimbali za spectral. Nanotube za kaboni zenye ukuta mmoja huonyesha ufyonzwaji thabiti unaoweza kueneza, kumaanisha kuwa zinakuwa wazi chini ya mwanga mwingi wa kutosha. Kwa hiyo, wanaweza kutumika kwa ajili ya maombi mbalimbali katika uwanja wa photonics, kwa mfano, katika ruta na swichi, kwa ajili ya kujenga ultrashort laser mapigo na regenerating ishara ya macho.
Maombi katika elektroniki . Kwa sasa, mbinu nyingi zimetangazwa kwa kutumia nanotubes katika umeme, lakini ni sehemu ndogo tu yao inaweza kupatikana. Jambo linalovutia zaidi ni matumizi ya nanotubes katika kondakta zinazoonekana kama nyenzo inayostahimili joto.

Umuhimu wa majaribio ya kuanzisha nanotubes katika vifaa vya elektroniki husababishwa na hitaji la kuchukua nafasi ya indium kwenye sinki za joto, ambazo hutumiwa katika transistors zenye nguvu nyingi, wasindikaji wa picha na vitengo vya usindikaji wa kati, kwa sababu akiba ya nyenzo hii inapungua na bei yake inaongezeka. .

Uundaji wa sensorer . Nanotubes za kaboni kwa sensorer ni mojawapo ya ufumbuzi wa kuvutia zaidi. Filamu za Ultrathin za nanotube zenye ukuta mmoja kwa sasa zinaweza kuwa msingi bora wa vitambuzi vya kielektroniki. Wanaweza kuzalishwa kwa kutumia mbinu tofauti.
Uundaji wa biochips, biosensors , udhibiti wa utoaji unaolengwa na hatua ya dawa katika tasnia ya teknolojia ya kibayoteknolojia. Kazi katika mwelekeo huu inaendelea kwa sasa. Uchambuzi wa matokeo ya juu unaofanywa kwa kutumia nanoteknolojia utapunguza kwa kiasi kikubwa muda unaotumika kuleta teknolojia sokoni.
Leo inakua kwa kasi uzalishaji wa nanocomposites , hasa polima. Wakati hata kiasi kidogo cha nanotubes ya kaboni huletwa ndani yao, mabadiliko makubwa katika mali ya polima yanahakikishwa. Hii huongeza utulivu wao wa joto na kemikali, conductivity ya mafuta, conductivity ya umeme, na inaboresha sifa za mitambo. Dazeni za nyenzo zimeboreshwa kwa kuongeza nanotubes za kaboni;

Fiber za mchanganyiko kulingana na polima na nanotubes;
kauri composites na livsmedelstillsatser. Upinzani wa ufa wa keramik huongezeka, ulinzi wa mionzi ya umeme inaonekana, conductivity ya umeme na joto huongezeka;
saruji na nanotubes - huongeza daraja, nguvu, upinzani wa ufa, hupunguza shrinkage;
mchanganyiko wa chuma. Hasa composites za shaba, ambazo zina mali ya mitambo mara kadhaa juu kuliko ile ya shaba ya kawaida;
mchanganyiko wa mseto, ambao una vifaa vitatu mara moja: nyuzi za isokaboni au polymer (vitambaa), binder na nanotubes.

Faida na hasara

Miongoni mwa faida za nanotubes za kaboni ni:

Mengi ya kipekee na ya kweli mali ya manufaa, ambayo inaweza kutumika katika utekelezaji wa ufumbuzi wa ufanisi wa nishati, picha, umeme, na matumizi mengine.
Hii ni nanomaterial ambayo ina mgawo wa juu nguvu, conductivity bora ya mafuta na umeme, upinzani wa moto.
Kuboresha mali ya vifaa vingine kwa kuanzisha kiasi kidogo cha nanotubes kaboni ndani yao.
Nanotube za kaboni zilizo wazi huonyesha athari ya kapilari, kumaanisha kuwa zinaweza kuchora katika metali zilizoyeyuka na vitu vingine vya kioevu;
Nanotubes huchanganya mali ya yabisi na molekuli, ambayo hufungua matarajio muhimu.

Miongoni mwa hasara za nanotubes za kaboni ni:

Nanotubes za kaboni hazizalishwa kwa sasa kwa kiwango cha viwanda, hivyo matumizi yao ya serial ni mdogo.
Gharama ya kuzalisha nanotubes za kaboni ni ya juu, ambayo pia hupunguza matumizi yao. Hata hivyo, wanasayansi wanafanya kazi kwa bidii ili kupunguza gharama ya uzalishaji wao.
Haja ya kuboresha teknolojia za uzalishaji ili kuunda nanotubes za kaboni na sifa zilizobainishwa kwa usahihi.

Matarajio

Katika siku za usoni, nanotubes za kaboni zitatumika kila mahali; zitatumika kuunda:

Nanoscales, vifaa vya mchanganyiko, nyuzi kali sana.
Seli za mafuta, nyuso za kufanya uwazi, nanowires, transistors.
Maendeleo ya hivi karibuni ya kompyuta ya neva.
Maonyesho, LEDs.
Vifaa vya kuhifadhi metali na gesi, vidonge vya molekuli hai, nanopipettes.
Nanorobots za matibabu kwa utoaji wa dawa na uendeshaji.
Sensorer ndogo zenye usikivu wa hali ya juu. Nanosensor kama hizo zinaweza kupata matumizi katika matumizi ya kibayoteknolojia, matibabu na kijeshi.
Kebo ya lifti ya nafasi.
Vipaza sauti tambarare vyenye uwazi.
Misuli ya bandia. Katika siku zijazo, kutakuwa na cyborgs, roboti, na watu wenye ulemavu watarudi kwenye maisha kamili.
Injini na jenereta za nguvu.
Mavazi mahiri, mepesi na ya kustarehesha ambayo yatakulinda kutokana na shida yoyote.
Supercapacitors salama na inachaji haraka.

Haya yote ni katika siku zijazo, kwa sababu teknolojia za viwandani za kuunda na kutumia nanotubes za kaboni ziko katika hatua ya awali ya maendeleo, na bei yao ni ghali sana. Lakini wanasayansi wa Kirusi tayari wametangaza kwamba wamepata njia ya kupunguza gharama ya kuunda nyenzo hii kwa mara mia mbili. Teknolojia hii ya kipekee ya kutengeneza nanotube za kaboni kwa sasa imefichwa, lakini imewekwa kuleta mapinduzi katika tasnia na maeneo mengine mengi.

Darasa lingine la nguzo lilikuwa muundo wa kaboni wa silinda, ambao baadaye, baada ya muundo wao kufafanuliwa, uliitwa " nanotubes za kaboni" (CNTs). CNTs ni kubwa, wakati mwingine hata kubwa zaidi (zaidi ya atomi 10 6) zilizoundwa kutoka kwa atomi za kaboni.

Kawaida mpango wa muundo CNT yenye ukuta mmoja na matokeo ya hesabu ya kompyuta ya obiti zake za Masi huonyeshwa kwenye Mtini. 3.1. Katika vipeo vya hexagoni na pentagoni zote, zilizoonyeshwa kama mistari nyeupe, kuna atomi za kaboni katika hali ya mseto wa sp 2. Ili kuhakikisha kuwa muundo wa mfumo wa CNT unaonekana wazi, atomi za kaboni hazionyeshwa hapa. Lakini si vigumu kufikiria. Toni ya kijivu inaonyesha kuonekana kwa orbitals ya molekuli ya uso wa kando wa CNT.

Mchoro 3.1

Nadharia inaonyesha kwamba muundo wa uso wa upande wa CNT yenye ukuta mmoja unaweza kufikiriwa kama safu moja ya grafiti iliyoviringishwa kwenye bomba. Ni wazi kwamba safu hii inaweza kuvingirwa tu kwa njia zile ambazo usawa wa kimiani wa hexagonal na yenyewe unapatikana wakati wa kufunga uso wa silinda. Kwa hiyo, CNTs zina seti fulani tu ya kipenyo na zinaainishwa Na vekta zinazoonyesha mwelekeo wa kukunja kwa kimiani cha hexagonal. Inategemea jinsi gani mwonekano, na tofauti katika sifa za CNTs. Chaguzi tatu za kawaida zinaonyeshwa kwenye Mchoro 3.2.

Seti ya vipenyo vinavyowezekana vya CNT hupishana mbalimbali kutoka chini kidogo ya nm 1 hadi makumi mengi ya nanomita. A urefu CNTs zinaweza kufikia makumi ya mikromita. Rekodi Na Urefu wa CNTs tayari umezidi kikomo cha mm 1.

CNT ndefu za kutosha (wakati urefu kubwa zaidi kwa kipenyo) inaweza kuzingatiwa kama fuwele yenye sura moja. Juu yao mtu anaweza kutofautisha "kiini cha kitengo", ambacho hurudiwa mara nyingi kando ya mhimili wa bomba. Na hii inaonekana katika baadhi ya mali ya nanotubes ya kaboni ndefu.

Kulingana na vekta ya kukunja ya safu ya grafiti (wataalam wanasema: "kutoka uungwana") nanotubes zinaweza kuwa kondakta na halvledare. CNT za muundo unaoitwa "tandiko" daima huwa na upitishaji wa umeme wa "metali" wa juu kiasi.

Mchele. 3.2

"Vifuniko" vinavyofunga CNT kwenye mwisho vinaweza pia kuwa tofauti. Wana sura ya "nusu" ya fullerenes tofauti. Chaguzi zao kuu zinaonyeshwa kwenye Mtini. 3.3.

Mchele. 3.3 Chaguzi kuu za "vifuniko" vya CNT za kuta moja

Wapo pia CNT zenye ukuta mwingi. Baadhi yao huonekana kama safu ya grafiti iliyoviringishwa kwenye kitabu cha kukunjwa. Lakini nyingi zinajumuisha mirija ya safu moja iliyoingizwa moja kwa nyingine, iliyounganishwa na nguvu za van der Waals. Kama CNT zenye ukuta mmoja ni karibu kila mara kufunikwa na vifuniko, basi CNT zenye ukuta mwingi Pia ziko wazi kwa sehemu. Kawaida huonyesha kasoro nyingi ndogo za kimuundo kuliko CNTs zenye ukuta mmoja. Kwa hiyo, kwa ajili ya maombi katika umeme, upendeleo bado hutolewa kwa mwisho.

CNTs hukua sio moja kwa moja tu, bali pia curvilinear, iliyoinama kuunda "goti," na hata imekunjwa kabisa kwa namna ya torus. Mara nyingi, CNTs kadhaa zimeunganishwa kwa kila mmoja na kuunda "vifungu".

Nyenzo zinazotumika kwa nanotubes

Ukuzaji wa mbinu za usanisi wa nanotubes za kaboni (CNTs) umefuata njia ya kupunguza joto la awali. Baada ya kuundwa kwa teknolojia ya kuzalisha fullerenes, iligunduliwa kuwa wakati wa uvukizi wa arc ya umeme ya electrodes ya grafiti, pamoja na malezi ya fullerenes, miundo ya cylindrical iliyopanuliwa huundwa. Mtaalamu wa hadubini Sumio Iijima, akitumia hadubini ya elektroni ya usambazaji (TEM), alikuwa wa kwanza kutambua miundo hii kama nanotubes. Mbinu za joto la juu za kuzalisha CNTs ni pamoja na njia ya arc ya umeme. Ukiyeyusha fimbo ya grafiti (anodi) ndani arc ya umeme, kisha kujenga kaboni ngumu (amana) hutengenezwa kwenye electrode kinyume (cathode), msingi wa laini ambao una CNTs nyingi za kuta na kipenyo cha 15-20 nm na urefu wa zaidi ya 1 μm.

Uundaji wa CNTs kutoka kwa masizi kamili chini ya ushawishi wa juu wa joto kwenye masizi ulionekana kwanza na vikundi vya Oxford na Uswizi. Ufungaji wa awali wa arc ya umeme ni wa chuma-kubwa, unatumia nishati, lakini kwa wote kwa ajili ya kupata. aina mbalimbali kaboni nanomaterials. Tatizo kubwa ni mchakato usio na usawa wakati wa mwako wa arc. Njia ya arc ya umeme kwa wakati mmoja ilibadilisha njia ya uvukizi wa laser (ablation) na boriti ya laser. Kitengo cha uondoaji hewa ni oveni ya kawaida inayostahimili joto inayozalisha joto la 1200°C. Ili kupata joto la juu ndani yake, inatosha kuweka shabaha ya kaboni kwenye tanuru na kuelekeza boriti ya laser ndani yake, ikichanganua uso mzima wa lengo. Kwa hivyo, kikundi cha Smalley, kwa kutumia mitambo ya gharama kubwa na laser ya muda mfupi, ilipata nanotubes mwaka wa 1995, "ikirahisisha kwa kiasi kikubwa" teknolojia ya awali yao.

Hata hivyo, mavuno ya CNTs yalibakia chini. Kuanzishwa kwa nyongeza ndogo za nickel na cobalt (0.5 saa.%) kwenye grafiti ilifanya iwezekanavyo kuongeza mavuno ya CNT hadi 70-90%. Kuanzia wakati huu ilianza hatua mpya katika kuelewa utaratibu wa malezi ya nanotube. Ikawa dhahiri kuwa chuma hicho kilikuwa kichocheo cha ukuaji. Hivi ndivyo kazi za kwanza zilivyoonekana kwenye utengenezaji wa nanotubes kwa njia ya joto la chini - njia ya kichocheo cha pyrolysis ya hidrokaboni (CVD), ambapo chembe za chuma za kikundi cha chuma zilitumika kama kichocheo. Mojawapo ya chaguzi za usakinishaji wa kutengeneza nanotubes na nanofibers kwa njia ya CVD ni mtambo ambao gesi ya carrier ya ajizi hutolewa, ikibeba kichocheo na hidrokaboni hadi eneo la joto la juu.

Kwa njia iliyorahisishwa, utaratibu wa ukuaji wa CNTs ni kama ifuatavyo. Kaboni inayoundwa wakati wa mtengano wa joto wa hidrokaboni huyeyuka katika nanoparticle ya chuma. Wakati mkusanyiko wa juu wa kaboni katika chembe hufikiwa, "kutolewa" kwa kaboni iliyozidi kwa nguvu hutokea kwenye moja ya nyuso za chembe ya kichocheo kwa namna ya kofia ya semifulerene iliyopotoka. Hivi ndivyo nanotube inazaliwa. Kaboni iliyoharibika inaendelea kuingia kwenye chembe ya kichocheo, na ili kutekeleza mkusanyiko wake wa ziada katika kuyeyuka, ni muhimu kuiondoa daima. Hemisphere inayoinuka (nusu-fullerene) kutoka kwenye uso wa kuyeyuka hubeba kaboni ya ziada iliyoyeyushwa, atomi zake ambazo nje ya kuyeyuka huunda dhamana ya C-C, ambayo ni fremu ya silinda ya nanotube.

Kiwango cha kuyeyuka kwa chembe katika hali ya nanosized inategemea radius yake. Kadiri radius inavyopungua, ndivyo joto linavyopungua, kutokana na athari ya Gibbs-Thompson. Kwa hivyo, chembechembe za chuma zenye ukubwa wa takriban nm 10 ziko katika hali ya kuyeyuka chini ya 600°C. Kwa sasa, usanisi wa joto la chini wa CNTs umefanywa kwa kutumia pyrolysis ya kichocheo ya asetilini mbele ya chembe za Fe saa 550 ° C. Kupunguza joto la awali pia kuna matokeo mabaya. Pamoja na zaidi joto la chini CNT zenye kipenyo kikubwa (takriban nm 100) na muundo wenye kasoro nyingi kama vile "mianzi" au "nanokoni zilizowekwa" hupatikana. Nyenzo zinazotokana zinajumuisha tu kaboni, lakini hata hazikaribia sifa za ajabu (kwa mfano, moduli ya Young) zinazozingatiwa katika nanotubes za kaboni zenye ukuta mmoja zilizopatikana kwa uondoaji wa laser au usanisi wa arc ya umeme.

Na miundo mingine inayofanana ambayo inaweza kuitwa na neno la jumla miundo ya sura ya kaboni. Ni nini?

Miundo ya mifumo ya kaboni ni kubwa (na wakati mwingine kubwa!) Molekuli zilizoundwa kabisa na atomi za kaboni. Mtu anaweza hata kusema kwamba miundo ya sura ya kaboni ni aina mpya ya allotropic ya kaboni (pamoja na wale wanaojulikana kwa muda mrefu: almasi na grafiti). Kipengele kikuu cha molekuli hizi ni sura ya mifupa: zinaonekana kama "shells" zilizofungwa, tupu ndani. Muundo maarufu zaidi wa mfumo wa kaboni ni C 60 fullerene, ugunduzi usiotarajiwa kabisa ambao mnamo 1985 ulisababisha kuongezeka kwa utafiti katika eneo hili (Tuzo ya Nobel ya Kemia ya 1996 ilitolewa kwa wagunduzi wa fullerenes Robert Curle, Harold Kroteau. na Richard Smalley). Mwishoni mwa miaka ya 80 na mapema miaka ya 90, baada ya mbinu ya kutengeneza fullerenes kwa wingi wa macroscopic iligunduliwa, nyingine nyingi, nyepesi na nzito zaidi ziligunduliwa: kuanzia C 20 (kiwango cha chini kinachowezekana cha fullerene) na hadi C 70, C 82, C 96, na zaidi.

Walakini, utofauti wa miundo ya sura ya kaboni hauishii hapo. Mnamo 1991, tena bila kutarajia, miundo mirefu ya kaboni ya silinda inayoitwa nanotubes iligunduliwa. Kwa kuibua, muundo wa nanotubes kama hizo unaweza kufikiria kama ifuatavyo: tunachukua ndege ya grafiti, kukata kamba kutoka kwake na "kuiunganisha" kwenye silinda (tahadhari: kukunja kama hii kwa ndege ya grafiti ni njia tu ya kufikiria muundo. ya nanotube; kwa kweli, nanotubes hukua kwa njia tofauti kabisa). Inaweza kuonekana kuwa ni rahisi zaidi - unachukua ndege ya grafiti na kuiweka kwenye silinda! - hata hivyo, kabla ya ugunduzi wa majaribio ya nanotubes, hakuna theorists alitabiri yao! Kwa hivyo wanasayansi wangeweza tu kuzisoma - na kushangaa!

Na kulikuwa na mambo mengi ya kushangaza. Kwanza, aina mbalimbali za maumbo: nanotubes inaweza kuwa kubwa na ndogo, yenye ukuta mmoja na yenye tabaka nyingi, moja kwa moja na ond. Pili, licha ya udhaifu wao dhahiri na hata utamu, nanotubes ziligeuka kuwa nyenzo yenye nguvu sana, katika mvutano na kuinama. Kwa kuongezea, chini ya ushawishi wa mikazo ya mitambo inayozidi zile muhimu, nanotubes pia hutenda kwa kupita kiasi: "hazirarui" au "kuvunja", lakini hujipanga tena! Zaidi ya hayo, nanotubes zinaonyesha anuwai nzima ya sifa zisizotarajiwa za umeme, sumaku na macho. Kwa mfano, kulingana na muundo maalum wa kukunja wa ndege ya grafiti, nanotubes zinaweza kuwa conductors na semiconductors! Je, nyenzo nyingine yoyote na rahisi vile muundo wa kemikali kujivunia angalau baadhi ya mali ambazo nanotubes wanazo?!

Hatimaye, aina mbalimbali za programu ambazo tayari zimevumbuliwa kwa nanotubes zinashangaza. Jambo la kwanza ambalo linajipendekeza ni matumizi ya nanotubes kama vijiti na nyuzi zenye nguvu sana za microscopic. Kama matokeo ya majaribio na modeli za nambari zinavyoonyesha, moduli ya Vijana ya nanotube yenye ukuta mmoja hufikia maadili ya mpangilio wa 1-5 TPa, ambayo ni mpangilio wa ukubwa zaidi kuliko ule wa chuma! Kweli, kwa sasa urefu wa juu wa nanotubes ni makumi na mamia ya microns - ambayo, bila shaka, ni kubwa sana kwa kiwango cha atomiki, lakini ni mfupi sana kwa matumizi ya kila siku. Walakini, urefu wa nanotubes zinazozalishwa kwenye maabara unaongezeka polepole - sasa wanasayansi tayari wamekaribia alama ya milimita: tazama kazi [Z. Pan et al, 1998], ambayo inaelezea usanisi wa nanotube yenye ukuta wa milimita 2. Kwa hiyo, kuna kila sababu ya kutumaini kwamba katika siku za usoni wanasayansi watajifunza kukua nanotubes sentimita na hata mita kwa muda mrefu! Kwa kweli, hii itaathiri sana teknolojia za siku zijazo: baada ya yote, "kebo" nene kama nywele za binadamu, inayoweza kushikilia mzigo wa mamia ya kilo, itapata matumizi mengi.

Mfano mwingine ambapo nanotube ni sehemu ya kifaa halisi ni wakati "imepachikwa" kwenye ncha ya kichuguu cha kuchanganua au hadubini ya nguvu ya atomiki. Kawaida vile makali ni sindano ya tungsten iliyopigwa, lakini kwa viwango vya atomiki vile kuimarisha bado ni mbaya sana. Nanotube ni sindano bora yenye kipenyo cha mpangilio wa atomi kadhaa. Kwa kutumia voltage fulani, inawezekana kuchukua atomi na molekuli nzima ziko kwenye substrate moja kwa moja chini ya sindano na kuhamisha kutoka mahali hadi mahali.

Sifa zisizo za kawaida za umeme za nanotubes zitawafanya kuwa moja ya vifaa kuu vya nanoelectronics. Prototypes ya transistors ya athari ya shamba kulingana na nanotube moja tayari imeundwa: kwa kutumia voltage ya kuzuia ya volts kadhaa, wanasayansi wamejifunza kubadili conductivity ya nanotubes yenye kuta kwa amri 5 za ukubwa!

Maombi mengine katika nanoelectronics ni kuundwa kwa heterostructures ya semiconductor, i.e. miundo ya chuma/semiconductor au makutano ya halvledare mbili tofauti. Sasa, ili kutengeneza heterostructure kama hiyo, haitakuwa muhimu kukuza vifaa viwili kando na kisha "kuunganisha" pamoja. Yote ambayo inahitajika ni kuunda kasoro ya kimuundo ndani yake wakati wa ukuaji wa nanotube (yaani, kuchukua nafasi ya moja ya hexagons za kaboni na pentagon). Kisha sehemu moja ya nanotube itakuwa chuma, na nyingine itakuwa semiconductor!

Matumizi kadhaa ya nanotubes katika tasnia ya kompyuta tayari yametengenezwa. Kwa mfano, prototypes za maonyesho nyembamba ya gorofa yanayofanya kazi kwenye matrix ya nanotubes yameundwa na kujaribiwa. Chini ya ushawishi wa voltage inayotumiwa kwenye mwisho mmoja wa nanotube, elektroni huanza kutolewa kutoka mwisho mwingine, ambayo huanguka kwenye skrini ya phosphorescent na kusababisha pixel kuangaza. Nafaka ya picha inayotokana itakuwa ndogo sana: kwa utaratibu wa micron!

Kwa kutumia darubini sawa ya atomiki, inawezekana kurekodi na kusoma taarifa kutoka kwenye tumbo linalojumuisha atomi za titani zilizo kwenye substrate ya -Al 2 O 3. Wazo hili pia tayari limetekelezwa kwa majaribio: wiani wa kurekodi habari uliopatikana ulikuwa 250 Gbit/cm 2. Walakini, katika mifano hii yote miwili, utumiaji wa wingi bado uko mbali - ubunifu kama huo wa hali ya juu ni ghali sana. Kwa hiyo, moja ya kazi muhimu zaidi hapa ni kuendeleza njia ya bei nafuu ya kutekeleza mawazo haya.

Utupu ndani ya nanotubes (na miundo ya mifumo ya kaboni kwa ujumla) pia imevutia usikivu wa wanasayansi. Kwa kweli, nini kitatokea ikiwa chembe ya dutu fulani itawekwa ndani ya fullerene? Majaribio yameonyesha kuwa mwingiliano (yaani utangulizi) wa atomi metali mbalimbali hubadilisha mali ya umeme ya fullerenes na inaweza hata kugeuza insulator kuwa superconductor! Inawezekana kubadilisha mali ya nanotubes kwa njia ile ile? Inageuka ndiyo. Katika [K.Hirahara et al, 2000], wanasayansi waliweza kuweka ndani ya nanotube mlolongo mzima wa fullerenes na atomi za gadolinium tayari zimepachikwa ndani yake! Sifa za umeme za muundo huo usio wa kawaida zilikuwa tofauti sana na mali ya nanotube rahisi, mashimo na mali ya nanotube yenye fullerenes tupu ndani. Jinsi, inageuka, elektroni ya valence, iliyotolewa na atomi ya chuma kwa kila mtu, inamaanisha mengi! Kwa njia, inafurahisha kutambua kwamba uteuzi maalum wa kemikali umeandaliwa kwa misombo kama hiyo. Muundo ulioelezwa hapo juu umeandikwa kama Gd@C 60 @SWNT, ambayo ina maana "M-ngu ndani ya C 60 ndani ya NanoTube ya Ukuta Mmoja."

Inawezekana sio tu "kuendesha" atomi na molekuli moja kwa moja kwenye nanotubes, lakini pia "kumwaga" jambo halisi. Kama majaribio yameonyesha, nanotube wazi ina mali ya capillary, ambayo ni, inaonekana kuchora dutu ndani yake. Kwa hivyo, nanotubes zinaweza kutumika kama vyombo vya hadubini kwa kusafirisha vitu vyenye kemikali au biolojia: protini, gesi zenye sumu, vifaa vya mafuta na hata metali zilizoyeyuka. Mara tu ikiwa ndani ya nanotube, atomi au molekuli haziwezi kutoka tena: ncha za nanotubes "zimefungwa" kwa usalama, na pete ya kaboni yenye kunukia ni nyembamba sana kwa atomi nyingi. Katika fomu hii, atomi hai au molekuli zinaweza kusafirishwa kwa usalama. Mara moja kwenye marudio yao, nanotubes hufungua kwa mwisho mmoja (na shughuli za "soldering" na "unsoldering" mwisho wa nanotubes inawezekana kabisa kwa teknolojia ya kisasa) na kutolewa yaliyomo katika vipimo vilivyoainishwa madhubuti. Hii sio hadithi ya kisayansi; majaribio ya aina hii tayari yanafanywa katika maabara nyingi ulimwenguni. Na inawezekana kwamba katika miaka 10-20, magonjwa yatatibiwa kwa misingi ya teknolojia hii: sema, nanotubes zilizopangwa tayari na enzymes zinazofanya kazi sana huingizwa ndani ya damu ya mgonjwa, nanotubes hizi hukusanywa mahali fulani katika mwili. na mifumo fulani ya hadubini na "hufunguliwa" kwa wakati fulani. Teknolojia ya kisasa karibu tayari kwa utekelezaji...