«Фуллерены углеродные нанотрубки графен»
| Вид материала | Документы |
- Углеродные наноматериалы (Фуллерены, нанотрубки и материалы на их основе) симпозиум, 518.27kb.
- Е. В. Жариков Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, 258.98kb.
- С. М. Планкина «Углеродные нанотрубки», 175.71kb.
- Вступительный экзамен в магистратуру для специальности «5М074000 –наноматериалы и нанотехнологии», 74.37kb.
- N-01-tisncm-2 Паспорт совместного российско-американского проекта, 87.7kb.
- Аннотационный отчет за 2010 год по Программе II «Наноструктурные слои и покрытия: оборудование,, 461.05kb.
- Информационный бюллетень наноструктуры сверхпроводники фуллерены Том 8, выпуск, 324.75kb.
- 6-ая международная конференция, 47.17kb.
- Власов А. В., Литвинов В. В, 80.85kb.
- Информационный бюллетень наноструктуры сверхпроводники фуллерены Том 10, выпуск 13/14, 277.29kb.
2.3Свойства нанотрубок
Широкие перспективы использования нанотрубок в материаловедении открываются при капсулипровании внутрь углеродных нанотрубок сверхпроводящих кристаллов (например, ТаС). Возможность получения сверхпроводящих кристаллов, капсулированных в нанотрубки, позволяет изолировать их от вредного воздействия внешней среды, например, от окисления, открывая тем самым путь к более эффективному развитию соответствующих нанотехнологий.
Научный же интерес к данному свойству нанотрубок связан с возможностью получения экспериментально обоснованного ответа на вопрос: при каких минимальных размерах капиллярные явления сохраняют свои особенности, присущие макроскопическим объектам? Впервые данная проблема рассмотрена в задачи о втягивании молекулы НР внутрь нанотрубок под действием поляризационных сил. При этом показано, что капиллярные явления, приводящие к втягиванию жидкостей, смачивающих внутреннюю поверхность трубки, внутрь капилляра, сохраняют свою природу при переходе к трубкам нанометрового диаметра. Капиллярные свойства нанотрубок проявляются только для материалов, которые обладают довольно малым значением поверхностного натяжения (менее 200 мН м -1 ) в жидком состоянии.
Большая отрицательная магнитная восприимчивость нанотрубок указывает на их диамагнитные свойства. Предполагают, что диамагнетизм нанотрубок обусловлен протеканием электронных токов по их окружности. Величина магнитной восприимчивости не зависит от ориентации образца, что связано с его неупорядоченной структурой. Относительно большое значение магнитной восприимчивости указывает на то, что, по крайней мере, в одном из направлений эта величина сравнима с соответствующим значением для графита.
Нанотрубки 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. Основываясь на этом свойстве, можно утверждать, что они являются наилучшим материалом для троса космического лифта на данный момент. (Космический лифт - Гипотетическая конструкция, основанная на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на геостационарной орбите.) Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали.
Французскими и российскими исследователями (из ИПТМ РАН, Черноголовка) было открыто такое свойство нанотрубок, как сверхпроводимость. Они проводили измерения вольт-амперных характеристик отдельной однослойной нанотрубки диаметром ~1нм, свернутого в жгут большого числа однослойных нанотрубок, а также индивидуальных многослойных нанотрубок. Сверхпроводящий ток при температуре, близкой к 4К, наблюдался между двумя сверхпроводящими металлическими контактами. Особенности переноса заряда в нанотрубке существенно отличаются от тех, которые присущи обычным, трехмерным проводникам и, по-видимому, объясняются одномерным характером переноса.
2.4Получение углеродных нанотрубок
Наиболее распространенными методами синтеза нанотрубок являются электродуговой метод, лазерная абляция и химическое осаждение из газовой фазы (CVD).
2.4.1Дуговой разряд (Arc discharge)
Сущность этого метода состоит в получении углеродных нанотрубок в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия, на технологических установках для получения фуллеренов. Однако здесь используются другие режимы горения дуги: низкие плотности тока дугового разряда, более высокое давление гелия (~ 500 Торр), катоды большего диаметра.
Для увеличения выхода нанотрубок в продуктах распыления в графитовый стержень вводится катализатор (смеси металлов группы железа), изменяется давление инертного газа и режима распыления.
В катодном осадке содержание нанотрубок достигает 60%. Образующиеся нанотрубки длиной до 40 мкм растут от катода перпендикулярно его поверхности и объединяются в цилиндрические пучки диаметром около 50 км.
2.4.2Лазерная абляция (Laser ablation)
Этот метод был изобретен Ричардом Смолли и сотрудниками "Rice University" и основан на испарении графитовой мишени в высокотемпературной реакторе. Нанотрубки появляются на охлажденной поверхности реактора как конденсат испарения графита. Водоохлаждаемая поверхность может быть включена в систему сбора нанотрубок.
Выход продукта в этом методе – около 70%. С его помощью получают преимущественно однослойные углеродные нанотрубки с контролируемым посредством температуры реакции диаметром. Однако стоимость данного метода намного дороже остальных.
2.4.3Химическое осаждение из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD)
Метод каталитического осаждения паров углерода был выявлен еще в 1959 году, однако до 1993 года никто не предполагал, что в этом процессе можно получить нанотрубки.
В процессе этого метода готовится подложка со слоем катализатора – частиц металла (чаще всего никеля, кобальта, железа или их комбинаций). Диаметр нанотрубок, выращенных таким способом, зависит от размера металлических частиц.
Подложка нагревается примерно до 700 °C. Для инициации роста нанотрубок в реактор вводят два типа газов: технологический газ (например, аммиак, азот, водород и т.д.) и углеродосодержащий газ (ацитилен, этилен, этанол, метан и т.д.). Нанотрубки начинают расти на участках металлических катализаторов.
Этот механизм является наиболее распространенным коммерческим методом производства углеродных нанотрубок. Среди других методов получения нанотрубок CVD наиболее перспективен в промышленных масштабах благодаря наилучшему соотношению в плане цены на единицу продукции. Кроме того, он позволяет получать вертикально ориентированные нанотрубки на желаемом субстрате без дополнительного сбора, а также контролировать их рост посредством катализатора.
Все вышеперечисленные методы весьма затратны, поэтому в настоящее время активно проводятся исследования в области методов синтеза нанотрубок.