РЕФЕРАТ - Область использования УНТ. Область использования углеродных нанотрубок
 Скачать 59.06 Kb.
|
|
РЕФЕРАТ на тему: «Область использования углеродных нанотрубок» Выполнил: Принял: Т  омск 2021Содержание Введение 3 1 Углеродные нанотрубки и их структура 4 2 Области применения углеродных нанотрубок 6 3 Особенности углеродных нанотрубок 9 Заключение 11 Список литературы 12 Введение Одним из самых значительных достижений современной науки является открытие углеродных нанотрубок. Многие перспективные направления нанотехнологии сегодня связывают именно с углеродными нанотрубками. Углеродные нанотрубки представляют гигантские молекулы или каркасные структуры, которые состоят лишь из атомов углерода. Несмотря на то, что эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном, углеродные нанотрубки имеют много свойств не характерных ни для графита, ни для фуллерена. Поэтому можно рассматривать и анализировать нанотрубки в качестве самостоятельного материала, физико-химические характеристики которого являются уникальными. В данной работе представлено описание структур и области использования углеродных нанотрубок. 1 Углеродные нанотрубки и их структура Нанотрубка – это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.  а)  б) Рисунок – 1. Структура углеродной нанотрубки: а) общий вид нанотрубки; б) нанотрубка разорванная с одного конца Углеродные нанотрубки – это обширный класс разнообразных цилиндрических наночастиц, которые образованы упорядоченно расположенными атомами углерода и вдоль оси имеют внутреннюю полость. Атомы углерода образуют в стенках нанотрубок сетки из шестиугольников. В углеродных нанотрубках, в отличие от другой формы углерода – графита, эти сетки свернуты в цилиндры, рулоны или конусы. Такая геометрия и обуславливает отличительные свойства углеродных нанотрубок. Идеальная нанотрубка – это цилиндр, полученный при свёртывании плоской гексагональной сетки графита без швов. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику нанотрубки – хиральность. Хиральность – это стереохимическое свойство, означающее несовместимость объекта со своим зеркальным отображением. Синтезировать углеродные нанотрубки можно разными способами, но наиболее распространенными являются: 1. Дуговой разряд. Метод обеспечивает получение нанотрубок на технологических установках для выработки фуллеренов в плазме дугового разряда, который горит в атмосфере гелия. Но здесь применяются иные режимы горения дуги: более высокое давление гелия и низкие плотности тока, а также катоды большего диаметра. В катодном осадке находятся нанотрубки длиной до 40 мкм, они растут перпендикулярно от катода и объединяются в цилиндрические пучки. 2. Метод лазерной абляции. Метод базируется на испарении мишени из графита в специальном высокотемпературном реакторе. Нанотрубки образуются на охлажденной поверхности реактора в виде конденсата испарения графита. Данный метод позволяет преимущественно получать однослойные нанотрубки с контролем необходимого диаметра посредством температуры. Но указанный метод существенно дороже других. 3. Химическое осаждение из газовой фазы. Данный метод предполагает подготовку подложки со слоем катализатора – это могут быть частицы железа, кобальта, никеля или их комбинаций. Диаметр нанотрубок, выращенных указанным способом, будет зависеть от размера используемых частиц. Подложка нагревается до 700 градусов. Для инициации роста нанотрубок вводятся в реактор углеродосодержащий газ и технологический газ (водород, азот или аммиак). Нанотрубки растут на участках катализаторов из металла. 2. Области применения углеродных нанотрубок. Коммерческое применение. Использование углеродных нанотрубок для придания полимерам антистатических и проводящих свойств является на сегодняшний день коммерческой практикой и распространяется в таких отраслях, как электроника и автомобильная промышленность. Таблица 1 – Коммерческое применение проводящих полимеров с многостенными углеродными нанотрубками.
Несмотря на то, что нанотрубки, благодаря их низкому поверхностному натяжению можно использовать во многих областях современной техники, наиболее перспективными являются направления использования нанотрубок, связанные с разработками в различных разделах современной электроники. Нанотрубкам свойственны такие достоинства, как малые размеры, меняющиеся в различных пределах, в зависимости от условий синтеза, электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность. Благодаря этому можно считать нанотрубки основой будущих элементов наноэлектроники. Создание новых типов миниатюрных элементов электронных схем на основе нанотрубок – это не единственное применение нанотрубок в электронике. Кроме того, нанотрубки можно использовать для создания на их основе тончайшего измерительного инструмента, который используется, чтобы контролировать неоднородности поверхностей таких схем. В одной из работ в данном направлении для исследования поверхности на нанометровом уровне в качестве зонда была использована многослойная нанотрубка. Нанотрубки имеют очень высокую механическую прочность, поэтому их целесообразно использовать для этой цели. Применения в фотонике и оптике. Подбирая диаметр нанотрубок можно обеспечить оптическое поглощение в большом спектральном диапазоне. Однослойные углеродные нанотрубки проявляют сильную нелинейность насыщающегося поглощения, то есть при достаточно интенсивном свете они становятся прозрачными. Поэтому они могут применяться для разных приложений в области фотоники, к примеру, в маршрутизаторах и коммутаторах, для создания ультракоротких лазерных импульсов и регенерации оптических сигналов. Создание сенсоров. Углеродные нанотрубки для сенсоров – одно из наиболее интересных решений. Ультратонкие пленки из одностенных нанотрубок на данный момент могут стать наиболее лучшей основой для электронных сенсоров. Производить их можно с применением разных методов. Создание биочипов, биосенсоров, контроля адресной доставки и действия лекарств в биотехнологической отрасли. Работы в данном направлении сегодня вовсю ведутся. Высокопроизводительный анализ, выполняемый с использованием нанотехнологий, позволит существенно уменьшить время, которое нужно для вывода технологии на рынок. Сегодня резко растет производство нанокомпозитов, в основном полимерных. При введении в них даже небольшого количества углеродных нанотрубок обеспечивается существенное изменение свойств полимеров. Так у них повышается термическая и химическая устойчивость, теплопроводность, электропроводность, улучшаются механические характеристики. Усовершенствованы десятки материалов при помощи добавления в них углеродных нанотрубок; – композитные волокна на основе полимеров с нанотрубками; – керамические композиты с добавками. Увеличивается трещиностойкость керамики, появляется защита электромагнитного излучения, увеличивается электро- и теплопроводность; – бетон с нанотрубками – повышается марка, прочность, трещиностойкость, уменьшается усадка; – металлические композиты. Особенно медные композиты, у которых механические свойства в несколько раз выше, чем у обычной меди; – гибридные композиты, в которых содержатся сразу три компонента: неорганические или полимерные волокна (ткани), связующее вещество и нанотрубки. 3. Особенности углеродных нанотрубок Достоинства и недостатки. Среди достоинств углеродных нанотрубок можно отметить: Множество уникальных и по-настоящему полезных свойств, которые можно применять в области внедрения энергоэффективных решений, фотоники, электроники, и иных приложений; Это наноматериал, который обладает высоким коэффициентом прочности, превосходной тепло- и электропроводностью, огнестойкостью; Улучшение свойств других материалов при внедрении в них небольшого количества углеродных нанотрубок; Углеродные нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект, то есть они могут втягивать в себя расплавленные металлы и иные жидкие вещества; Нанотрубки сочетают в себе свойства твердого тела и молекул, что открывает значительные перспективы. Среди недостатков углеродных нанотрубок можно отметить: Углеродные нанотрубки на данный момент не производятся в промышленных масштабах, поэтому их серийное применение ограничено; Стоимость производства углеродных нанотрубок высока, что также ограничивает их применение. Тем не менее, ученные усиленно работают над снижением себестоимости их производства; Необходимость совершенствования технологий производства для создания углеродных нанотрубок с точно заданными свойствами. Перспективы. В ближайшем будущем углеродные нанотрубки будут применяться повсеместно, из них будут создаваться: Нановесы, композитные материалы, сверхпрочные нити; Топливные элементы, прозрачные проводящие поверхности, нанопровода, транзисторы; Новейшие нейрокомпьютерные разработки; Дисплеи, светодиоды; Устройства для хранения металлов и газов, капсулы для активных молекул, нанопипетки; Медицинские нанороботы для доставки лекарств и проведения операций; Миниатюрные датчики с ультравысокой чувствительностью. Такие нанодатчики могут найти применение в биотехнологических, медицинских и военных применениях; Трос для космического лифта; Плоские прозрачные громкоговорители; Искусственные мышцы. В будущем появятся киборги, роботы, инвалиды будут возвращаться к полноценной жизни; Двигатели и генераторы энергии; Умная, легкая и комфортная одежда, которая будет защищать от любых невзгод; Безопасные суперконденсаторы с быстрой зарядкой. Все это в будущем, ведь промышленные технологии создания и использования углеродных нанотрубок находятся на начальном этапе развития, а цена их крайне дорога. Но российские ученые уже заявили, что они нашли способ снизить стоимость создания этого материала в двести раз. Эта уникальная технология производства углеродных нанотрубок на данный момент держится в секрете, но она должна произвести революцию в промышленности и во многих иных областях. Заключение Одним из самых значительных достижений современной науки является открытие углеродных нанотрубок. Несмотря на то, что эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном, углеродные нанотрубки имеют много свойств не характерных ни для графита, ни для фуллерена. Поэтому можно рассматривать и анализировать нанотрубки в качестве самостоятельного материала, физико-химические характеристики которого являются уникальными. Обладая такими свойствами, как сверхминиатюрные размеры, хорошая электропроводность, высокие эмиссионные характеристики, высокая химическая стабильность при существующей пористости и способность присоединять к себе различные химические радикалы, нанотрубки могут эффективно использоваться в таких областях, как измерительная техника, электроника и наноэлектроника, химическая технология и др. На данный момент заявлено множество способов использования нанотрубок в электронике и других областях, однако реализовать удается лишь небольшую ее часть. Наибольший интерес вызывает применение нанотрубок в прозрачных проводниках в качестве термоустойчивого межфазного материала. Список литературы 1. Булярский С.В. Углеродные нанотрубки: технология, управление свойствами, применение / С.В. Булярский. – Ульяновск: Стрежень, 2011. – 480 с. 2. Сухно И.В. Углеродные нанотрубки: учебное пособие / И.В. Сухно, В.Ю. Бузько – Краснодар, КубГУ, 2008. – 55 с. 3. Балоян Б.Н. Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения : учебное пособие / Б.Н. Балоян, А.Г. Колмаков, М.И. Алымов [и др.]. – Москва, 2007. – URL : http://window.edu.ru/resource/277/63277/files/nano.pdf) 4. Витязь, П.А. Основы нанотехнологий и наноматериалов : учебное пособие / П.А. Витязь, Н.А. Свидунович. Минск : Выш. шк., 2010. 302 с. – URL : www.znanium.com 5. Горохов, В.А. Материалы и их технологии: в 2 ч. Ч. 1 : учебник / В.А. Горохов, Н.В. Беляков, А.Г. Схиртладзе ; под ред. В.А. Горохова. Москва : НИЦ ИНФРА-М ; Минск : Нов. знание, 2014. 589 с. – URL : www.znanium.com |