Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 17 из 24

Глава 5. Углеродные наноструктуры. Механические свойства углеродных наноструктур

Ковалентная связь между атомами углерода очень прочная. Поэтому квантовые нити (карбиновые структуры и углеродные нанотрубки) на основе углеродных структур также очень прочны. Было подсчитано, что трос, изготовленный из углеродных структур, может быть спущен со спутника на Землю, и по нему может двигаться лифт. При этом углеродные структуры являются единственным материалом, трос из которого не порвется под собственной тяжестью.

Важными механическими свойствами обладают многостенные углеродные нанотрубки, которые представляют собой цилиндры из моноатомных слоёв углерода, вставленные один в другой (рис. 5.8). При этом внутренние цилиндры могут перемещаться относительно внешних практически без трения. Телескопический эффект полностью обратим. Внутреннюю трубку можно вдвигать и выдвигать, и этот процесс можно повторять многократно. При этом действуют телескопические силы, которые в случае УНТ складываются из нескольких составляющих: сил Ван-дер-Ваальса, статических и динамических сил трения. Силы трения малы, их экспериментальная оценка дала величину около 10-14 Ньтона на атом. Эксперименты с фрагментом, приведенным на рис. 4.8, показали, что силы трения остаются постоянными с течением времени.



Рис. 5.8. Изображение многостенной УНТ в просвечивающем электронном микроскопе

Описанный эксперимент позволяет создавать подшипники диаметром порядка единиц нанометров. Кроме того, было обнаружено, что механические свойства тесно связаны с электрическими. При перемещении внутреннего цилиндра относительно внешнего полное сопротивление системы, приведенной на рис. 5.8, изменяется по экспоненциальному закону:



Где L₀ – характеристическая длина, обусловленная свойствами трубки;
R₀ – сопротивление в случае, когда цилиндры полностью вдвинуты друг в друга;
x – текущая координата положения выдвинутой трубки.

Изменение сопротивления позволяет изготавливать очень чувствительные датчики перемещения и ускорения. Установлено, что свойства трубок изменяются при изгибе, что позволяет изготовить датчики деформации.

Глава 5. Углеродные наноструктуры. Химические свойства углеродных нанотрубок

Адсорбцией называется физическое явление, проявляющиеся во взаимодействии атома либо молекулы одного вещества с поверхностью другого и фиксации этого атома на поверхности.

Если адсорбированное вещество не образует химической связи с поверхностью, а удерживается какими-либо силами, например, электростатическими, то адсорбция называется физической. Если химическая связь образуется – то это хемосорбция. Особенностью адсорбции на УНТ является изменение структуры электронных состояний трубки и ее свойств. Например, адсорбция кислорода приводит к изменению типа проводимости трубки с электронной на дырочную. Поэтому явление адсорбции можно использовать для создания датчиков концентрации различных веществ – хемосенсоров.

Водород является одним из источников энергии будущего. Высокими темпами ведутся исследования в области водородной энергетики. В связи с этим встает проблема хранения водорода. Заполнять водородом бак, как это делается с бензином, нельзя. Водород взаимодействует с кислородом воздуха, образуя воду. Эта химическая реакция протекает быстро и может сопровождаться сильным взрывом. Поэтому хранить его надо так, чтобы он не соприкасался с кислородом и выделялся очень медленно. Для этого хранилища можно заполнять пористыми веществами, которые адсорбируют водород. Одним из методов хранения этого ценного продукта является адсорбция на поверхности углерода, представленного различными аллотропическими формами. В этом отношении перспективными материалами для хранения водорода являются новые углеродные материалы: фуллерены и углеродные нанотрубки. Так, например, углеродные нанотрубки способны удерживать водород при температурах, близких к комнатной. На рис. 5.9 приведены возможные варианты расположения адсорбированного водорода. Обнаружено, что энергия химической связи водорода с графеновой плоскостью весьма велика, что способствует адсорбции достаточно больших количеств водорода. Обнаружено, что часто водород адсорбируется на дефектах трубки.



Рис. 5.9. Три варианта расположения молекулы водорода при физической адсорбции: Х – на связи, Y – параллельно графеновой плоскости внутри ячейки, Z – перпендикулярно трубке