фуллерены. В настоящее время понятие "фуллерены" применяется к широкому классу многоатомных молекул углерода С, где
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
треугольные решетки из параллельно уложенных цилиндров, расстояние между которыми составляет 3,4 А, что почти точно соответствует расстоянию между соседними слоями в графите. Такая треугольная укладка нанотрубок увеличивает аккумулирующую способность системы за счет возникающих в ней пустот (табл. 1.1). Геометрическая упаковка молекул водорода внутри однослойных углеродных нанотрубок обеспечивает аккумулирование в количестве 3,3 мае. %. Объемы пустот добавляет к этой величине еще 0,7 мае. %, что доводит полную долю аккумулирования до 4 мае. %. Эта теоретическая оценка была подтверждена экспериментальными данными. При самом распространенном способе заполнения нанотрубок молекулярным водородом используют высокие и сверхвысокие давления газа, обеспечивающие проникновение молекул водорода в мельчайшие поры и полости углеродных структур, размер которых соизмерим с поперечником молекулы водорода. При нагреве такого элемента в процессе эксплуатации он постепенно отдает накопленный водород. В настоящее время продолжаются интенсивные поиски путей повышения водород-углеродного отношения при аккумулировании до практически приемлемого уровня для применения в топливных элементах для транспортных средств или большой и малой стационарной энергетики. Возможно применение нанотрубок в качестве очень прочных стержней и нитей. Обычно длина нанотрубок составляет десятки и сотни микрон, однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается и уже описан синтез многослойной нанотрубки длиной в несколько мм. Есть основания надеяться, что в будущем научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и более. Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии: трос тоньше человеческого волоса, но способный удерживать груз в сотни килограмм, найдет бесчисленное множество применений. Углеродные нанотрубки сочетают аномально высокие значения прочностных и упругих свойств - предел прочности на разрыв равен 30-100 ГПа при значениях модуля упругости Юнга от 1,0 до 1,4 ТПа (ТПа - терапаскатель = 1000 ГПа). В табл. 1.2 приведены сравнительные данные прочностных и упругих характеристик ряда волоконных материалов. Трубки обладают также способностью к изгибу. В последнее время все большее внимание привлекают многостенные наполненные нанотрубки. Трубки, наполненные железом, никелем, кобальтом, а также ин- терметаллидами самария с кобальтом типа SmxCov, используют в магнитных чернилах и тонерах при ксерографии. Трубки, наполненные карбидами тугоплавких металлов (ТаС, NbC, МоС), при температуре ниже 10 К могут использоваться как наносверхпроводники. Вследствие малых размеров НТ их удельное электрическое сопротивление (р) удалось измерить только в 1996 г. Оказалось, что р может принимать значения от 5 • 10-8 до 0,008 Ом • м. Таким образом, минимальная величина р на порядок меньше, чем у графита. Такой разброс значений не должен удивлять, поскольку трубки (и однослойные, и многослойные) могут иметь как металлическую, так и полупроводниковую проводимость. С другой стороны, сопротивление индивидуальных нанотрубок оказывается значительно ниже, чем подводящих дорожек и непосредственных контактных переходов. В 2001 г. удалось провести измерения на многослойных трубках диаметром 8,6 нм, которые показали, что нанотрубки с минимальным р = 5 • 10-6 Ом • см могут Таблица 12 Свойства некоторых волоконных материалов
пропускать чудовищную плотность тока -1,8-1010 А/см2. При температуре 250 °С такой ток сохранялся в течение двух недель (334 ч) без какой-либо деградации трубки за счет электромиграции. В опытах использовались вольфрамовые контакты, нанесенные электронно-лучевым способом, поперечное сечение которых было на два порядка больше, чем у трубок. Следует напомнить, что проводники из высокопроводящих чистых металлов (Au, Ag, Си) при пропускании электрического тока плотностью уже Hr А/см2 разрушаются из-за джоулева нагрева и электромиграции атомов. Таким образом, проводящие нанотрубки в качестве проводников в наноэлектронике позволят подводить токи огромной плотности - на три-четыре порядка больше, чем обычные проводники, не нагреваясь при этом. Учитывая, что прочность на разрыв УНТ примерно в 100 раз превышает прочность стали, а их плотность составляет 1/6 от плотности стали, углеродные нанотрубки являются наиболее прочным веществом из всех известных на сегодняшний день. Они обладают максимальным отношением прочности к плотности, т. е. обеспечивают максимальную прочность при заданной массе. Поэтому дальнейшие перспективы их практического применения зависят лишь от технологической возможности получать более длинные углеродные нановолокна, сплетать или перекручивать их для изготовления канатов и создавать композитные материалы на этой основе. В последнем случае основная проблема сводится к достижению максимально большей передачи нагрузок на границах раздела армирующего материала (нанотрубок) и наполнителя (матрицы), что может быть обеспечено, например, введением функциональных групп в состав адгезивных агентов композита. Это может дать возможность осуществления таких фантастических проектов, как создание космической башни или лифта с канатом протяженностью около 100 тысяч километров. Лифт может быть смонтирован на экваторе планеты, а его натяжение должна обеспечивать центробежная сила вращения Земли при воздействии на "хвост" каната, простирающийся за границу геостационарной орбиты (> 36 тысяч километров). Такой лифт позволит не только выводить на орбиту требуемые грузы или геостационарные и другие спутники, но и выбрасывать в космос с орбиты (подобно гигантской "праще") автоматические станции к другим планетам или даже иным звездным системам. Если к противоположным концам НТ подвести полярные заряды, она излучает свет с длиной волны 15 мкм - такой же, что и в современных оптоволоконных приборах. Таким образом, светоизлучающие УНТ могут стать базовым элементом при построении оптоэлектронных схем на одном чипе. На основе многослойных УНТ создан наномотор. Наибольший габарит этого устройства - 500 нм, длина ротора 100-300 нм, а НТ, выполняющей роль оси, 5-10 нм. Углеродная нанотрубка очень упруга при изгибе. Она гнется (до определенного угла, см. рис. 1.29), но не ломается и может распрямиться без повреждений. Большинство материалов ломаются при изгибе из-за присутствия дефектов, таких как дислокации и границы зерен. Так как стенки углеродных нанотрубок имеют мало структурных дефектов, этого не происходит. Другая причина того, что они не ломаются, состоит в том, что углеродные кольца стенок в виде почти правильных шестиугольников при изгибе меняют свою структуру и не рвутся. В настоящее время показано, что элементарный углерод способен образовывать сложные вогнутые поверхности, состоящие из пяти, шести, семи и восьмиугольников. Пятиугольники формируют 30° положительное искривление плоскости шестиугольников (купол), семиугольники -30° - отрицательное искривление плоскости (внутренняя сторона “бублика”), а восьмиугольник -60° - отрицательное искривление плоскости (тоже внутренняя сторона “бублика”). Начиная с восьмидесятых годов были открыты многочисленные формы элементарного углерода - фуллерены и нанотрубки, гигантские фуллерены и луковичные структуры, тороидальные и спиральные формы углерода. На снимках, сделанных в электронном микроскопе наблюдают практически любые структуры - от сфер, до смятых графитовых листов. Фактически углерод способен формировать любые замкнутые поверхностные структуры, состоящие из пяти, шести, семи и восьмиугольников, которые только можно представить, с массами, кратными 20 весам атома углерода (самый низший фуллерен Сго, правильный додекаэдр, состоящий из 12 пятиугольников) и вплоть до десятков и сотен тысяч углеродных единиц. |