нанотехнология. Углеродные нанотрубки
 Скачать 23.85 Kb.
|
|
Углеродные нанотрубки 1ый слайдУглеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические молекулы, изготовленные из свернутых листов графена. В длину они достигают от одного микрометра до нескольких сантиметров, а в диаметре от десятых до десятков нанометров. Это самые жесткие и прочные материалы, которые были синтезированы. Углеродные нанотрубки были открыты в 1950-1980х годах, ученые обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшие катализатор при реакции пиролиза метана. Но непосредственно название и открытие было задокументировано в 1991 году, тогда Сумио Иидзима обнаружил длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубки. На сегодняшний день известно несколько типов углеродных нанотрубок, это одностенные нанотрубки (ОСНТ): диаметр около одного нанометра. Это промежуточная стадия аллотропии углерода, между плоскими графеновыми и фуллереновыми клетками. Многостенные нанотрупки (MWNT): состоит из нескольких связанных углеродных нанотрубок. Их длина составляет несколько микрометров с диаметром более 100 нанометров. 2ой слайд Известные способы синтеза: 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. 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. 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. 3ий слайд Свойства углеродных нанотрубок Механический - с точки зрения модуля упругости и прочности на разрыв, углеродные нанотрубки являются самыми жесткими и прочными материалами, которые синтезируются. Этот вид силы происходит от чрезвычайно сильной формы молекулярного взаимодействия между отдельными атомами углерода - ковалентными связями sp 2. Электроуглеродные нанотрубки обладают исключительной электропроводностью. Теоретически, металлические нанотрубки могут нести в 1000 раз больше плотности электрического тока, чем металлы, такие как медь. Термические - углеродные нанотрубки обладают уникальными термическими свойствами , которые делают их особенными для разработки новых материалов. На самом деле их теплопроводность намного лучше, чем у алмазов. Теплопроводность при комнатной температуре одностенной нанотрубки вдоль ее оси составляет 3500 Вт · м -1 · К -1 . Температурная стабильность этих нанотрубок составляет около 750 ° С на воздухе и до 2800 ° С в вакууме. 4ый слайд Применение нанотрубок: Применения в фотонике и оптике. Подбирая диаметр нанотрубок можно обеспечить оптическое поглощение в большом спектральном диапазоне. Однослойные углеродные нанотрубки 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. Применение в электронике. На данный наибольший интерес вызывает применение нанотрубок в прозрачных проводниках в качестве термоустойчивого межфазного материала. Актуальность попыток внедрения нанотрубок в электронике вызвано необходимостью замены индия в теплоотводах, которые применяются в транзисторах большой мощности, графических процессорах и центральных процессорах. Создание сенсоров. 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. Другой вызов связан с созданием процесса выращивания длинных УНТ – сотни миллиметров в длину. Когда это произойдет, фантазии связанные с созданием космического лифта станут явью. В заключение можно суммировать, что углеродные нанотрубки имеют множество уникальных и нужных свойств. Хотя для определенных применений требуются значительные инвестиции и время, чтобы довести дело до коммерческих продуктов, УНТ уже широко применяются и их применение дает значительную экономическую выгоду при относительно низких затратах. 1952 Радушкевич и Лукьянович публикуют статью в «Советском журнале физической химии», в которой показаны полые графитовые углеродные волокна диаметром 50 нанометров [1]. 1955 г. Хофер, Стерлинг и Маккарни наблюдают рост трубчатых углеродных волокон диаметром 10–200 нм [2]. 1958 Хиллер и Ланге наблюдают рост наноразмерных трубчатых углеродных волокон в результате разложения н-гептана на железе при температуре около 1000 ° C. [3] 1960 Роджер Бэкон выращивает «графитовые вискеры» в аппарате дугового разряда и с помощью электронной микроскопии показывает, что структура состоит из свернутых листов графена в концентрических цилиндрах. [4] Боллманн и Спредборо обсуждают фрикционные свойства углерода из-за скатывания листов графена в Природе. На снимке, полученном с помощью электронного микроскопа, отчетливо видны МУНТ. [5] 1971 М.Л. Либерман сообщает о росте трех различных графитоподобных волокон; трубчатые, скрученные и баллонные. [6] Изображения ПЭМ и данные дифракции показывают, что полые трубки представляют собой многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT). 1976 А. Оберлин, Моринобу Эндо и Т. Кояма сообщили о выращивании углеродных волокон нанометрового размера с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD), а также сообщили об открытии углеродных нановолокон, в том числе о том, что некоторые из них имели форму полых труб. [7] 1979 г. Научно-фантастический роман Артура Кларка «Райские фонтаны» популяризирует идею космического лифта с использованием «непрерывного псевдоодномерного кристалла алмаза» [8]. 1982 г. Японские исследователи Т. Кояма и Моринобу Эндо запатентовали непрерывный процесс или процесс с плавающим катализатором. [9] 1985 Открыты фуллерены. [10] 1987 Ховард Г. Теннент из Hyperion Catalysis выдал в США патент на графитовые «фибриллы» с полой сердцевиной [11]. 1991 г. Японский исследователь Сумио Иидзима из нанотрубок синтезировал полые молекулы углерода и впервые определил их кристаллическую структуру в саже дугового разряда в NEC [12]. Август - Нанотрубки, обнаруженные методом CVD Эл Харрингтоном и Томом Маганасом из Maganas Industries, привели к разработке метода синтеза мономолекулярных покрытий из тонких пленок нанотрубок. [13] 1992 Первые теоретические предсказания электронных свойств однослойных углеродных нанотрубок группами из Военно-морской исследовательской лаборатории США, [14] Массачусетского технологического института, [15] и NEC Corporation. [16] 1993 Группы под руководством Дональда С. Бетьюна из IBM [17] и Сумио Иидзима из NEC [18] независимо друг от друга открывают одностенные углеродные нанотрубки и методы их производства с использованием катализаторов на основе переходных металлов. 1995 г. Швейцарские исследователи первыми продемонстрировали свойства электронной эмиссии углеродных нанотрубок. [19] Немецкие изобретатели Тилль Кесманн и Хуберт Гросс-Уайлд предсказали это свойство углеродных нанотрубок ранее в этом году в своей патентной заявке [20]. 1997 Первые одноэлектронные транзисторы из углеродных нанотрубок (работающие при низких температурах) демонстрируются группами из Делфтского университета [21] и Калифорнийского университета в Беркли [22]. Первое предложение об использовании углеродных нанотрубок в качестве оптических антенн сделано в заявке на патент изобретателя Роберта Кроули, поданной в январе 1997 года [23]. 1998 Первые полевые транзисторы из углеродных нанотрубок демонстрируются группами в Делфтском университете [24] и IBM [25]. 2000 Первая демонстрация, подтверждающая, что изгиб углеродных нанотрубок изменяет их сопротивление [26] 2001 Апрель - Первый отчет о методе разделения полупроводниковых и металлических нанотрубок. [27] 2002, январь - Многослойные нанотрубки продемонстрировали, что они являются самыми быстрыми из известных генераторов (> 50 ГГц). [28] 2003 г., сентябрь - NEC объявила о стабильной технологии изготовления транзисторов из углеродных нанотрубок. [29] 2004 г., март - Nature опубликовала фотографию индивидуальной одностенной нанотрубки (ОСНТ) длиной 4 см [30]. 2005 г., май - Был продемонстрирован прототип 10-сантиметрового плоского экрана высокой четкости, изготовленного из нанотрубок. [31] Август - Калифорнийский университет считает Y-образные нанотрубки готовыми транзисторами. [32] Август - General Electric объявила о разработке идеального диода из углеродных нанотрубок, который работает на «теоретическом пределе» (наилучшие возможные характеристики). Фотогальванический эффект также наблюдался в диодном устройстве из нанотрубок, который мог привести к прорыву в солнечных элементах, сделав их более эффективными и, следовательно, более экономически жизнеспособными. [33] Август - синтезирован лист нанотрубок размером 5 × 100 см. [34] 2006 Флойд Лэндис Марч - победивший велосипед с улучшенными нанотрубками - IBM объявляет, что они построили электронную схему на основе CNT. [35] Март - Нанотрубки используются в качестве основы для регенерации поврежденных нервов. [36] Май - IBM разработала метод точного размещения нанотрубок. [37] Июнь - Университетом Райса изобретено устройство, которое может сортировать нанотрубки по размеру и электрическим свойствам. [38] Июль - Нанотрубки были добавлены в велосипед из углеродного волокна, на котором Флойд Лэндис ездил, чтобы выиграть Тур де Франс 2006 года. [39] 2009 г., апрель - Нанотрубки включены в вирусную батарею. [40] Однослойная углеродная нанотрубка была выращена методом химического осаждения из газовой фазы через 10-микронный зазор в кремниевом чипе, а затем использована в экспериментах с холодным атомом, создавая эффект черной дыры на звуке. 2012 г., январь - IBM создает транзистор из углеродных нанотрубок диаметром 9 нм, превосходящий по характеристикам кремний. [42] 2013 г., январь - исследовательская группа из Университета Райса объявляет о разработке нового нанотехнологического волокна мокрого прядения [43]. Новое волокно производится с применением масштабируемого промышленного процесса. Волокна, о которых сообщается в Science, имеют примерно в 10 раз большую прочность на разрыв, а также электрическую и теплопроводность по сравнению с лучшими ранее описанными волокнами из УНТ, полученными методом мокрого прядения. Сентябрь - Исследователи создают компьютер с углеродными нанотрубками. [44] |