Використання нанотрубок в молекулярній технології. нанотехнологии. Пилипенко Д. А. 1057 Застосування наноструктур і матеріалів на їх основі Атестація 1 Використання нанотрубок в молекулярній технології
 Скачать 0.67 Mb.
|
7 нм або більше. Галузями застосування і призначення нанотрубок є створення композитів і макроволокон на полімерній основі; електродів і мембран паливних елементів, газопідводячих електродів літій-іонних хімічних джерел струму і суперконденсаторів. Приведемо короткий опис і основні технічні характеристики нанотрубок: мають діаметр 2-7 нм і довжину до декількох мікрон, містять від 2 до 5 коаксіальних графінових трубок. Питома поверхня 200-600 м2 , електропровідні. Містять 1-5 мас.% золи, що не видаляється при відмиванні кислотами. У нанотрубки можна не тільки «заганяти» атоми і молекули поодинці, але і буквально «вливати» речовину. Як показали експерименти, відкрита нанотрубка володіє капілярними властивостями, тобто вона як би втягує в себе речовину. Таким чином, нанотрубки можна використовувати як мікроскопічні контейнери для перевезення хімічно або біологічно активних речовин: білків, отруйних газів, компонентів палива і навіть розплавлених металів. Потрапивши всередину нанотрубки, атоми або молекули вже не можуть вийти назовні: кінці нанотрубок надійно «запаяні», а вуглецеве ароматичне кільце дуже вузьке для більшості атомів. У такому вигляді активні атоми або молекули можна транспортувати. Потрапивши в місце призначення, нанотрубки розкриваються з одного кінця (а операції «запаювання» і «розпаювання» кінців нанотрубок вже цілком під силу сучасній технології) і випускають свій вміст у строго певних дозах. Це – не фантастика, експерименти такого роду вже зараз проводяться у багатьох лабораторіях світу. І не виключено, що через 10-20 років на базі цієї технології проводитиметься лікування захворювань: скажімо, хворому вводять у кров заздалегідь приготовані нанотрубки з дуже активними ферментами, ці нанотрубки збираються у визначеному місці організму якимись мікроскопічними механізмами і «розкриваються» у певний момент часу. Сучасна технологія вже практично готова до реалізації такої схеми. Із-за великої питомої поверхні і наявності незаповнених об’ємів вуглецеві нанотрубки мають підвищені сорбційні властивості. Вони здатні поглинати (сорбувати) значну кількість як газоподібної, так і рідкої речовини. Ця здатність вельми приваблива для створення надмініатюрних сенсорів, здатних детектувати щонайменші домішки в атмосферному повітрі. Принцип їх дії заснований на зміні електронних характеристик нанотрубок (ширина забороненої зони, концентрація і рухливість носіїв і тому подібне) при сорбції молекул певного сорту. Загалом, питання вивчення вуглецевих каркасних структур (нанотрубок) з кожним днем набирає свої обороти, і якоюсь мірою вже вдалося пролити світло на деякі аспекти цього питання. Якщо активно продовжувати вивчати властивості і здібності даних речовин, то можна досягти вельми бажаного результату і відкрити ще цікавіші і корисніші факти.Пилипенко Д.А. 6.1057 Застосування наноструктур і матеріалів на їх основі Атестація 1 Використання нанотрубок в молекулярній технології Серед інших нанооб’єктів найбільш повно вивчені нанотрубки. Так називають протяжні циліндричні структури, що мають розміри кількох нанометрів. Вперше вуглецеві нанотрубки були відкриті в 1951 р радянськими фізиками Л. В. Радушкевічем і В. М. Лукьяновічем, проте їх публікація, що з’явилася через рік у вітчизняному науковому журналі, пройшла непоміченою. Знову інтерес до них виник після робіт зарубіжних дослідників у 1990-і рр. Вуглецеві нанотрубки в сто разів міцніше сталі, вони добре проводять тепло і електричний струм. Нещодавно вченим вдалося синтезувати нанотрубки нітриду бору, а також деяких металів, наприклад золота (рис. 11). За міцностю вони істотно поступаються вуглецевим, але, завдяки набагато більшому діаметру, здатні включати в себе навіть порівняно великі молекули. Для отримання нанотрубок золота нагрівання не потрібно – всі операції проводять при кімнатній температурі. Через колонку, заповнену пористим оксидом алюмінію, пропускають колоїдний розчин золота з розміром частинок 14 нм. При цьому кластери золота застряють в порах, що є в структурі оксиду алюмінію, об’єднуючись один з одним в нанотрубки. Щоб звільнити нанотрубки, які утворилися, від оксиду алюмінію, порошок обробляють кислотою, внаслідок чого оксид алюмінію розчиняється, а на дні посудини осідають нанотрубки золота, на мікрофотографії вони нагадують водорості.  Прикладом одновимірних нанооб’єктів є нанонитки, або нанопроволоки – так називають протяжні наноструктури з діаметром менше 10 нм. При такому порядку величин об’єкт починає проявляти особливі, квантові властивості. Порівняємо нанопроволоку з міді довжиною 10 см і діаметром 3,6 нм з таким же дротом, але діаметром 0,5 мм. Розміри звичайної дроту в багато разів більше відстаней між атомами, тому електрони вільно переміщуються в усіх напрямках. У нанопроволоці електрони здатні вільно рухатися лише в одному напрямку – вздовж дроту, але не поперек, тому що її діаметр всього лише в кілька разів перевищує відстань між атомами. Фізики кажуть, що в нанопроволоці електрони в поперечних напрямках локалізовані, а в поздовжньому – делокалізовані Відомі нанопроволоки металів (нікелю, золота, міді) і напівпровідників (кремнію), діелектриків (оксиду кремнію). При повільній взаємодії парів кремнію з киснем в особливих умовах вдається отримати нанопроволоки оксиду кремнію, на яких як на гілочках висять утворення у форму кулі з кремнезему, що нагадують ягоди вишні. Розмір такої «ягоди» становить всього 20 мікрон (мкм). Дещо осібно стоять молекулярні нанопроволоки, прикладом яких є молекула ДНК – зберігач спадкової інформації. Невелика кількість неорганічних молекулярних нанопроволок є сульфідами або селенідами молібдену. Фрагмент структури одного з цих з’єднань наведено на рис. 12. Завдяки наявності d-електронів в атомах молібдену і перекривання частково заповнених d-орбіталей ця речовина проводить електричний струм.  Дослідження нанопроволок поки ведуться на лабораторному рівні. Однак вже зараз ясно, що вони будуть затребувані при створенні комп’ютерів нових поколінь. Напівпровідникові нанопроволоки подібно до звичайних напівпровідників можна отримати аба р- або n-типу. Вже зараз на основі нанодротів створені p-n-переходи з надзвичайно малим розміром. Так поступово створюються основи для розвитку наноелектроніки. Висока міцність нановолокон уможливлює армування ними різних матеріалів, в тому числі полімерів, з метою збільшення їх жорсткості. А заміна традиційного вугільного анода в літій-іонних батареях сталевим анодом, покритим нанонитками кремнію, дозволила на порядок збільшити ємність цього джерела струму. Прикладом двовимірних нанооб’єктів є наноплівки. Завдяки дуже малій товщині (всього в одну або дві молекули) вони пропускають світло і непомітні для ока. Полімерні нанопокриття із полістиролу та інших полімерів надійно захищають багато предметів, що використовуються в побуті, – екрани комп’ютерів, віконця стільникових телефонів, лінзи окулярів. Поодинокі нанокристали напівпровідників (наприклад, сульфіду цинку ZnS або селеніду кадмію CdSe) розміром до 10-50 нм називають квантовими точками. Їх вважають нульвимірними нанооб’єктами. Такі нанооб’єкти містять від ста до ста тисяч атомів. При опроміненні квантового напівпровідника виникає пара «електрон-дірка» (екситон), рух якої в квантовій точці є обмеженим в усіх напрямках. Завдяки цьому енергетичні рівні екситона дискретні. Переходячи із збудженого стану в основний, квантова точка випромінює світло, причому довжина хвилі залежить від розміру точки. Цю здатність використовують для розробки лазерів і дисплеїв нового покоління. Квантові точки можна використовувати і в якості біологічних міток (маркерів), поєднуючи їх з певними білками. Кадмій досить токсичний, тому при виробництві квантових точок на основі селеніду кадмію їх покривають захисною оболонкою сульфіду цинку. А для отримання водорозчинних квантових точок, що є необхідним для біологічних домішок, цинк з’єднують з органічними лігандами невеликого розміру. При вивченні нанотрубок випливають вельми цікаві і дивовижні якості. По-перше, різноманітність форм: нанотрубки можуть бути великі і малі, одношарові і багатошарові, прямі і спіральні. По-друге, не дивлячись на крихкість і навіть ажурність, нанотрубки виявилися на рідкість міцним матеріалом, як при розтягуванні, так і на згинанні. Більш того, під дією механічної напруги, що перевищує критичну, нанотрубки вони не «рвуться» і не «ламаються», а просто перебудовуються! Нанотрубки демонструють цілий спектр найнесподіваніших електричних, магнітних, оптичних властивостей. Наприклад, залежно від конкретної схеми згортання графітової площини, нанотрубки можуть бути і провідниками. Вражає різноманітність застосування нанотрубок. Наприклад, їх застосовують в якості міцних мікроскопічних стрижнів і ниток. Як показують результати експериментів і чисельного моделювання, модуль Юнга одношарової нанотрубки досягає величин порядка 1-5 ТПа, що на порядок більше, ніж у сталі! На даний час максимальна довжина нанотрубок складає десятки і сотні мікрон, що є дуже великою за атомними масштабами. Проте довжина нанотрубок, що отримуються в лабораторії, поступово збільшується. Тому є всі підстави сподіватися, що у недалекому майбутньому можуть з’явитися нанотрубки завдовжки у сантиметри і навіть метри! Безумовно, це сильно вплине на майбутні технології: адже «трос» завтовшки з людський волос, здатний утримувати вантаж у сотні кілограм, знайде собі безліч застосувань. Нанотрубки можуть виступати не тільки в ролі досліджуваного матеріалу, але і як інструмент дослідження. На основі нанотрубки можна, наприклад, створити мікроскопічні ваги. Беремо нанотрубку, визначаємо частоту її власних коливань, потім прикріплюємо до неї досліджуваний зразок і визначаємо частоту коливань навантаженої нанотрубки. Ця частота буде менша частоти коливань вільної нанотрубки: адже маса системи збільшилася, а жорсткість залишилася колишньою. Незвичайні електричні властивості нанотрубок зроблять їх одним із основних матеріалів наноелектроніки. Розроблено вже і декілька застосувань нанотрубок у комп’ютерній індустрії. Наприклад, створені і випробувані прототипи тонких плоских дисплеїв, що працюють на матриці з нанотрубок. Під дією напруги, що прикладається до одного з кінців нанотрубки, з іншого кінця починають випускатися електрони, які потрапляють на екран, що фосфоресціює, і викликають свічення пікселя. Комірка зображення при цьому буде дуже малою (порядка декількох мікрон)! Порожнини усередині нанотрубок (і вуглецевих каркасних структур) також привертають увагу. Цікаво, а що буде, якщо всередину фулерена помістити атом якої-небудь речовини? Експерименти показали, що інтеркаляція (тобто впровадження) атомів різних металів змінює електричні властивості фулеренів і може навіть перетворити ізолятор на надпровідник! Виявляється можна таким же чином змінити властивості нанотрубок. Учені змогли помістити всередину нанотрубки цілий ланцюжок із фулеренів з уже впровадженими у них атомами Гадолінію! На рис. 17 схематично показана структура такої нанотрубки і приведений знімок, отриманий дослідниками за допомогою електронної мікроскопії.  Електричні властивості такої незвичайної структури сильно відрізнялися як від властивостей простої, порожнистої нанотрубки, так і від властивостей нанотрубки з порожніми фулеренами усередині. Великий вплив має валентний електрон, що атом віддає металу. Технологія при зміні складу каталізаторів і умов процесу дозволяє отримувати вуглецеві нанотрубки діаметром від |