III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ: ИХ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В настоящее время на основе углеродных наноструктур создается элементная база наноэлектроники и наносистемной техники, появляются новые материалы и устройства. Уникальные физико-механические и электрические свойства делают возможным использование углеродных нанотрубок в качестве зондов сканирующей зондовой микроскопии, чувствительных элементов датчиков, проводящих каналов транзисторов, а так же в качестве наполнителей композитных материалов. Создание углеродных нанотрубок с требуемыми параметрами в заданном месте, на подложке, является актуальной задачей.
Целью моей работы является изучение истории создания, строения, свойств , а также варианты применения и использования углеродных нанотрубок, моделирование макета каркасной структуры углеродной нанотрубки и исследование возможностей их производства.
План работы включает историческую справку, теорию вопроса и практическую часть.
В проекте использованы такие методы работы, как моделирование, изучение и анализ специальной литературы и научно-популярной информации с сайтов.
2. Углеродные нанотрубки: их свойства и применение
2.1.Историческая справка
Наноматериалы и наноявления люди использовали в своей деятельности веками, даже не подозревая об этом. Уже в древности мастера подкрашивали стекло для витражей с помощью коллоидного золота (кстати, такая техника использована и при изготовлении красного стекла для кремлевских звезд) (рис.1). А ведь коллоидное золото-не что иное, как взвесь наночастиц золота. Другой пример - дамасская сталь, известная с IV века нашей эры (рис.2). Недавно выяснилось, что она содержит комплексы из углеродных нанотрубок- поэтому-то знаменитые дамасские клинки так прочны.
рис. 1рис. 2
В 1931 году был создан электронные микроскоп, и люди впервые смогли увидеть нанообъекты - в том числе вирусы. 1952 году советскими учеными Л.В. Радушкевичем (рис.3) и В.М. Лукьяновичем (рис.4) был обнаружен первый наноматериал. Это были широко известные теперь углеродные нанотрубки - они возникали в саже углеродных электродуговых свечей. Диаметр «одномерных наноскопических объектов», как их назвали первооткрыватели, составил около 100 нм. Однако в то время это открытие осталось незамеченным. Всемирная слава нанотрубок началась в 1991 году, после публикации статьи японского исследователя Сумио Иидзимы.
рис.3. рис.4
Нанотрубки включают в семейство фуллеренов – материалов из одноатомных слоев углерода. Впервые молекулы фуллеренов - похожие на футбольный мяч многогранники из 60,70 или более атомов,- были получены одним из пионеров нанотехнологий Ричардом Смолли с коллегами в 1980-х годах. Название эти материалы получили в честь инженера и философа Бакминстрера Фуллера, который использовал многогранники такой же структуры в строительных конструкциях. Открытый совсем недавно графен - «ковер» из шестиугольных ячеек атомов углерода - материал из того же семейства.
2.2. Теория вопроса
Многие из перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии связываются в последнее время с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином углеродные каркасные структуры. Что же это такое?
Углеродные каркасные структуры - это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры - это новая аллотропная форма углерода (в дополнение к давно известным: алмазу и графиту). Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри "оболочки". Самая знаменитая из углеродных каркасных структур - это фуллерен C60(рис.5).
рис.5 рис.6
Однако разнообразие углеродных каркасных структур на этом не заканчивается. В 1991 году, опять-таки совершенно неожиданно, были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Визуально структуру таких нанотрубок можно представить себе так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и "склеиваем" ее в цилиндр (предостережение: такое сворачивание графитовой плоскости - это лишь способ представить себе структуру нанотрубки; реально нанотрубки растут совсем по-другому). Казалось бы, что проще - берешь графитовую плоскость и сворачиваешь в цилиндр! - однако до экспериментального открытия нанотрубок никто из теоретиков их не предсказывал! Так что ученым оставалось только изучать их - и удивляться!
А удивительного было много.
Во-первых, разнообразие форм: нанотрубки могли быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные(рис.6).
Во-вторых, несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются!
Далее, нанотрубки демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками! Может ли какой-либо иной материал с таким простым химическим составом похвастаться хотя бы частью тех свойств, которыми обладают нанотрубки?!
Наконец, поражает разнообразие применений, которые уже придуманы для нанотрубок. Первое, что напрашивается само собой, это применение нанотрубок в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни микронов - что, конечно, очень велико по атомным масштабам, но слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается - сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровому рубежу. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры! Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии: ведь "трос" толщиной с человеческий волос, способный удерживать груз в сотни килограмм, найдет себе бесчисленное множество применений.
В нанотрубки можно не только "загонять" атомы и молекулы поодиночке, но и буквально "вливать" вещество. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами, то есть она как бы втягивает в себя вещество. Капиллярные явления, поверхностные явления на границе жидкости с другой средой, связанные с искривлением ее поверхности. Искривление поверхности жидкости на границе с газовой фазой происходит в результате действия поверхностного натяжения жидкости, которое стремится сократить поверхность раздела и придать ограниченному объему жидкости форму шара. Поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме, такая форма отвечает минимуму поверхностной энергии жидкости, т.е. ее устойчивому равновесному состоянию. В случае достаточно больших масс жидкости действие поверхностного натяжения компенсируется силой тяжести, поэтому маловязкая жидкость быстро принимает форму сосуда, в который она налита, а ее свободная поверхность представляется практически плоской.
Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно "запаяны", а углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца (а операции "запаивания" и "распаивания" концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это - не фантастика, эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10-20 лет на базе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и "вскрываются" в определенный момент времени. Современная технология уже практически готова к реализации такой схемы (рис.7).
рис.7
Нанотрубки могут выступать не только в роли исследуемого материала, но и как инструмент исследования. На основе нанотрубки можно, к примеру, создать микроскопические весы. Берем нанотрубку, определяем (спектроскопическими методами) частоту ее собственных колебаний, затем прикрепляем к ней исследуемый образец и определяем частоту колебаний нагруженной нанотрубки. Эта частота будет меньше частоты колебаний свободной нанотрубки: ведь масса системы увеличилась, а жесткость осталась прежней (вспомните формулу для частоты колебаний груза на пружинке).
Другой пример, когда нанотрубка является частью физического прибора - это "насаживание" ее на острие сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа(рис.8). Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить их с места на место.
рис.8 рис.9
Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков (рис.9)!
Нанотрубки имеют перспективы использования во многих областях современной техники, но их наиболее эффективное применение связано с разработками в различных разделах современной электроники. Так, на их основе собраны транзисторы, нанопровода, самый экономичный логический вентиль, самый плотный массив для создания радиаторов и производства электродов, нанторубки – эффективный термоустойчивый межфазный материал. Cенсацией последнего времени стало создание компьютера на основе углеродных нанотрубок. Похоже, они начинают вытеснять из электроники традиционный кремний...
Исследователи из университета Иллинойса и университета Миннесоты в США представили прототип микроэлектронного логического устройства с рекордно низким уровнем энергопотребления. Использование углеродных нанотрубок в конструкции логического переключателя позволило довести необходимую для работы устройства мощность до нескольких десятых долей нВт. Подробности приведены в статье ученых для журнала Nano Letters.
2.3. Практическая часть
Цель практической части: моделирование одномерной каркасной структуры углеродной нанотрубки.
Материалы:
-
пластилин
-
зубочистки
-
гуашь любого цвета
-
клей ПВА
Ход работы:
Для начала с помощью пластилина и шести зубочисток необходимо сделать шестиугольник (рис.10).
Затем продолжать лепить шестиугольники и соединить их между собой до нужного размера (рис.11).
рис.10
Когда необходимый размер достигнут, надо соединить получившееся полотно шестиугольников в цилиндр (рис.12).
Далее смешать гуашь с клеем ПВА в пропорции ½(рис.13).
В завершении покрасить получившуюся конструкцию смесью из гуаши и клея. Оставить до полного высыхания в темном прохладном месте (рис.14). рис.11
рис.12 рис.13 рис.14
2.4. Применение
Корпорация А.Чубайса — крупнейший инвестор наноиндустрии.
Все слышали о корпорации «Роснано» и ее многомиллиардном бюджете. Но компания, возглавляемая Анатолием Чубайсом, — не единственный инвестор в российскую наноиндустрию. Одно из популярных направлений — производство так называемых нанотрубок. И все три действующих в этой области проекта — в Тамбове, Рыбинске и Электростали — созданы на частные деньги.
Мировые компании, работающие в сфере нанотехнологий, уже включились в гонку за лидерство. Немецкий концерн Bayer в феврале запустил новый завод в Германии, доведя суммарную мощность производства до 3000 т в год. Американская компания CNano закончила в прошлом году строительство крупного завода в Китае. И французская Arkema, и японская Showa Denko, и бельгийская Nanocyl наращивают объемы.
В России речь идет скорее об опытно-экспериментальном, а не о промышленном производстве нанотрубок. Ни один из инвесторов не получает пока прибыли, но все рассчитывают, что вот-вот наступит бум. Углеродные нанотрубки имеют множество уникальных полезных свойств, позволяющих эффективно использовать их в области электроники. Фундаментальные исследования будут продолжаться, по крайней мере, в ближайшее десятилетие.
Карта ведущих предприятий по производству и переработке нанотрубок
3. Заключение
Суммируя все вышесказанное, можно сделать следующие выводы:
1. Открытие углеродных нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Исследования углеродных нанотрубок представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес. Фундаментальный интерес к этому объекту обусловлен, в первую очередь, его необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств .
2. В России речь идет скорее об опытно-экспериментальном, а не о промышленном производстве углеродных нанотрубок. Ни один из инвесторов не получает пока прибыли, но все рассчитывают, что вот-вот наступит бум.
3. К проблеме исследования фундаментальных свойств углеродных нанотрубок вплотную примыкает проблема прикладного использования. Решение этой проблемы, в свою очередь, от создания способов дешевого получения углеродных нанотрубок в больших количествах. Эта проблема пока исключает возможность крупномасштабного применения этого материала.
4. Благодаря высоким значениям твердости и прочности, материалы на основе углерода привлекают большой интерес как с теоретической, так и с практической точки зрения. Нанотрубки, как было сказано, являются на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не «рвутся», а перестраиваются.
5. Добавки углеродных нанотрубок позволяют значительно улучшить прочностные свойства алюминия и его сплавов. Углеродные нанотрубки, обладающие высокими механическими характеристиками, рассматриваются как эффективное средство повышения физико-механических свойств композитных материалов.
4. Список источников и литературы
-
А. В. Елецкий «Успехи физических наук», сентябрь 1997
-
Углеродные нанотрубки (Золотухин И.В. , 1999), физика
-
https://postnauka.ru/video/57995
-
http://labs.vt.tpu.ru/nano/nanotubes.htm
-
http://nature.web.ru:8001/db/msg.html?mid=1159181&uri=index.html
-
http://www.cleandex.ru/articles/2007/12/10/nanotubes-carbon
-
http://theecology.ru/interesting/nanotehnologii-uglerodnyie-nanotrubki
-
http://ocsial.com/ru/
-
http://www.icp.ac.ru/ru/uslugi-razrabotki/nashi-razrabotki/novyj-materialy/1618-proizvodstvo-uglerodnyx-nanotrubok.html
-
http://www.abercade.ru/research/analysis/3520.html
-
http://www.forbes.ru/svoi-biznes/predprinimateli/48667-kto-i-zachem-delaet-nanotrubki
-
http://www.rusnano.com/projects/portfolio/ocsial