Углеродные нанотрубки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Нанонаука и нанотехнологии представляют собой новый революционный путь мышления и производства, используя традиционный научный подход, основанный на прогрессивно уменьшающемся масштабе. На практике этот подход делает возможным создание продуктов и процессов с улучшенными свойствами. В ближайшие десять лет именно развитие нанотехнологий и изготовление новых наноматериалов станет одним из основных двигателей стимулирующих изменения в науке. В связи с этим исследования в области наноструктур и технологий приобретают все возрастающую значимость, поскольку обладают потенциалом для создания новых способов получения материалов, контролированного манипулирования и управления свойствами материалов на наноуровне [1].

Анализ состояния и тенденций развития объектов наноиндустрии в настоящее время позволяет сделать вывод о том, что одной из наиболее перспективных областей нанотехнологий является синтез углеродных наноматериалов (УНМ). Среди этих материалов особое место занимают углеродные нанотрубки (УНТ), которые при диаметре 1…50 нм и длине до нескольких микрометров образуют новый класс нанообъектов. УНТ обладают рядом уникальных свойств, обусловленных упорядоченной структурой их нанофрагментов, материалы, созданные на основе УНТ, могут успешно использоваться в качестве структурных модификаторов конструкционных материалов, аккумуляторов водорода, элементов радиоэлектроники, и т.д. Широко обсуждается использование углеродных нано-структур в тонком химическом синтезе, биологии и медицине. [2]

1. Актуальность темы

нанонаука углеродный лазерный графит

Известен ряд методов получения углеродных наноматериалов: электродуговой, лазерное и термическое распыление графита, конденсационный метод. Указанные методы обладают определенной эффективностью, но слабо пригодны для промышленного применения, и обладают рядом существенных недостатков, таких как высокая стоимость оборудования и сложность организации производства.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче разработки теплотехнических параметров и систем для создания возможностей промышленного синтеза углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза, который в отличии от указанных выше методов, обладает рядом преимуществ, таких как: сравнительно низкая энергоемкость процесса; применение дешевого и доступного углеродсодержащего сырья; «мягкие» технологические параметры синтеза; простота конструкций и технологичность изготовления используемой аппаратуры; отсутствие необходимости дорогой очистки от примесей.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является разработка теплотехнических параметров работы реактора пиролитического синтеза углеродных нанотрубок, с катализатором на твердой подложке, а так же методы их реализации. Данное исследование направлено на уменьшение энергетических затрат, повышение интенсивности массообменных процессов, что увеличит выход готового продукта, а так же на упрощение процесса производства.

Основные задачи исследования:

1. Анализ методов каталитического пиролиза углеродных нанотрубок.

2. Оценка способов уменьшения энергетических затрат путем оптимизации теплотехнических параметров синтеза.

3. Поиск и решение проблемы низких значений эффективности тепло и массообмена.

4. Разработка устройства, увеличивающего интенсивность процессов тепло и массообмена.

Объект исследования: синтез углеродных нанотрубок.

Предмет исследования: разработка теплотехнических параметров синтеза, а так же повышение эффективности тепло и массоообменных процессов.

3. Общие сведения

Углеродные нанотрубки - это протяженные цилиндрические структуры диаметром 1..10 нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена [3]. Углеродные нанотрубки были открыты в 1991 году японским исследователем Иджимой. Первая нанотрубка была получена путем распыления графита в электрической дуге. Измерения, выполненные с помощью электронного микроскопа, показали, что диаметр таких нитей не превышает нескольких нанометров, а длина от одного до нескольких микрон.

Разрезав нанотрубку вдоль продольной оси, было обнаружено, что она состоит из одного или нескольких слоёв, каждый из которых представляет гексагональную сетку графита, основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода. Во всех случаях расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Верхние концы трубочек закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена. [4]

Нанотрубки являются членами семьи фуллеренов, которая также включает в себя сферические фуллерены. Диаметр нанотрубки на порядок нескольких нанометров (примерно 1 /50, 000 ширины человеческого волоса), в то время как они могут быть до 18 сантиметров в длину (по состоянию на 2010) Прикладная квантовая химия, в частности, орбитальная гибридизация лучше всего описывает тип химической связи в нанотрубках. Химические связи нанотрубок полностью состоят из SP2 связи, подобной графиту. Эти связи сильнее, чем SP3, они и обеспечивают нанотрубки их уникальной силой. Кроме того, нанотрубки естественно объединяются «канаты» удерживающиеся вместе силами Ван-дер-Ваальса [5].

Типы углеродных нанотрубок

Идеальная нанотрубка - это цилиндр, полученный при свертывании плоской гексагональной сетки графита без швов. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику нанотрубки - хиральность.

Хиральность - это стереохимическое свойство, означающее несовместимость объекта со своим зеркальным отображением. Она характеризуется 2 целыми числами (m, n), которые указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат. Хиральность нанотрубки может быть также однозначно определена углом б, образованным направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Имеется очень много вариантов свертывания нанотрубок, но среди них выделяются те, в результате свертывания которых не происходит искажения структуры гексагональной сетки. Этим направлениям отвечают углы б=0 и б=300, что соответствует хиральности (m, 0) и (2n, n).

В процессе синтеза возможно образование как однослойных (ОУНТ) так и многослойных (МУНТ) углеродных нанотрубок. Структура ОУНТ, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы. Среди однослойных нанотрубок особый интерес представляют нанотрубки с хиральностью (10, 10). Проведенные расчеты показали, что нанотрубки с подобной структурой должны обладать металлическим типом проводимости, а также иметь повышенную стабильность и устойчивость по сравнению с трубками других хиральностей. Справедливость этих утверждений была экспериментально подтверждена в 1996 году, когда впервые был осуществлен синтез нанотрубок с D=1,36 нм, что соответствует хиральности (10, 10).

Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Структура типа «русской матрешки» представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Еще одна из структур напоминает свиток. Для всех названных структур характерно значение расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.

Реализация той или иной структуры многослойных нанотрубок, в конкретной экспериментальной ситуации, зависит от условий синтеза. Анализ имеющихся экспериментальных данных указывает, что наиболее типичной структурой многослойных нанотрубок является структура с попеременно расположенными по длине участками типа «русской матрешки» и «папье-маше». При этом «трубки» меньшего размера последовательно вложены в трубки большего размера. В пользу такой модели говорят, например, факты по интеркалированию калия или хлорида железа в «межтрубочное» пространство и образование структур типа «бусы». [3]

Свойства углеродных нанотрубок

Механические свойства углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки один из прочнейших материалов в природе. Было показано, что нанотрубки очень сильны в осевом направлении, модуль Юнга порядка 270 - 950 ГПа и прочностью на разрыв от 11 - 63 ГПа. Так же, есть доказательства того, что в радиальном направлении они довольно не прочны. Первое исследование под электронным микроскопом радиальной упругости говорили о том, что даже силы Ван-дер-Ваальса могут деформировать две соседние нанотрубки. Позднее атомно-силовым микроскопом были выполнены несколько групп исследований для количественного измерения радиальной упругости. Модуль Юнга порядка нескольких ГПа показало, что УНТ на самом деле очень не прочны в радиальном направлении. Радиальное направление упругости особенно важно для углеродных нанотрубок, где встроенных трубы подвергаются значительной деформации в поперечном направлении при нагрузке на композитный слой. Одна из основных проблем в определении радиальной упругости УНТ является знание о внутреннем радиусе УНТ. УНТ с одинаковыми наружными диаметрами могут иметь различный внутренний диаметр (или количество стен). С недавних пор использование атомно-силового микроскопа дало возможность определения точного числа слоев и, следовательно, внутренний диаметр УНТ. Таким образом, определение механических свойств стало более точным [6].

Твердость

Алмаз считается твердым материалом, в условиях высокой температуры и высокого давления, графит превращается в алмаз. В одном из исследований удалось синтезировать сверхтвердый материала путем сжатия однослойной углеродной нанотрубки (ОУН), выше 24 ГПа при комнатной температуре. Твердость этого материала была измерена нано-инденторами с твердостью порядка 62-152 ГПа. Твердость алмаза и образцов нитрида бора составляла 150 и 62 ГПа соответственно. Объемного модуля сжатой однослойной углеродной нанотрубки была 462-546 ГПа, что превышает значения в 420 ГПа для алмаза [7].

Кинетические свойства

МУНТ из нескольких концентрических нанотрубок вложенных друг в друга, имеют поразительные телескопические особенности. Внутреннее ядро нанотрубки может скользить, почти без трения, в рамках своей внешней оболочки нанотрубки, тем самым создавая совершенный образец атомарного линейного или вращательного подшипника. Это один из первых настоящих примеров молекулярной нанотехнологий точного позиционирования атомов для создания полезных машин. Это свойство уже было использовано для создания наименьших вращательных мотор в мире. [8]

Электрические свойства

Из-за симметрии и уникальной электронной структуры графена, структура нанотрубки сильно влияет на ее электрические свойства. Для данных значений (n, m) нанотрубки: если n = m, то образуются металлические нанотрубки; если n - m делится на 3, то образуются полупроводниковые нанотрубки с очень малой шириной запрещенной зоны, в противном случае нанотрубки умеренной полупроводимости. Однако, это правило имеет исключения, из-за кривизны эффектов в малых диаметрах углеродных нанотрубок могут сильно повлиять на электрические свойства. Таким образом, (5,0) ОУНТ, которые должны быть полупроводниковых на самом деле является металлической соответствии с расчетами. В теории, металлические нанотрубки могут проводить электрический ток плотностью от 4 Ч 109 А/см2 который больше, чем в 1000 раз больше, чем такие металлы, как медь. Многослойные углеродные нанотрубки с взаимосвязанными внутренними оболочками показали сверхпроводимость с относительно высокой температурой перехода Тс = 12 К. Значение Тс на порядок ниже, для канатов однослойных углеродных нанотрубок или МСНТ с обычными, не взаимосвязанными оболочками. [5]

Дефекты

Как и в любом материале, существование кристаллографических дефектов сказывается на свойствах материала. Дефекты могут возникать в виде атомных вакансий. Высокие уровни таких дефектов могут привести к снижению прочности на растяжение до 85%. Другая форма дефекта нанотрубки - Камень Уэльса, создает пятиугольник и пары семиугольников перестройкой связей. Из-за очень малых структуре УНТ, прочность на разрыв трубки зависит от его наиболее слабого звена. Аналогичным образом в цепи, где прочность слабого звена определяет максимальную прочность цепи. Кристаллографические дефекты также влияют на электрические свойства трубки. Общий результат снижают значения проводимости через дефектные области трубки. Дефекта в трубках обладающих металлическими свойствами, могут привести к превращению окружающей области в полупроводниковую. Одной одноатомные вакансии вызывают магнитные свойства.

Токсичность

Определение токсичности углеродных нанотрубок является одним из наиболее актуальных вопросов в области нанотехнологий. К сожалению, такие исследования только начались. Таким образом, данные по-прежнему фрагментарны и подвергаются критике. Предварительные результаты указывают на трудности в оценке токсичности этого гетерогенного материала. Такие параметры, как структура, распределение по размерам, площади поверхности, химии поверхности, поверхностный заряд, и агломерация, а также чистота образцов, имеют значительное влияние на реакционную способность углеродных нанотрубок. Однако, имеющиеся данные ясно показывают, что при некоторых условиях, нанотрубки могут пересекать мембраны природных человеческих барьеров. Предполагается, что если они достигнут органов они могут вызывать воспалительные и фиброзные реакции. Исследование под руководством Александры Портер из Университета Кембриджа показывает, что УНТ могут попасть клетки человека и накапливаясь в цитоплазме вызывают гибель клеток. Результаты исследований на грызунах говорят о том, что независимо от того процесса, посредством которого УНТ были синтезированы, а так же типов и количества металлов которые они содержат, УНТ были способны производить воспаление эпителиоидных гранулем (микроскопические узелки), фиброз, биохимические и токсикологические изменения в легких. [5]

Список источников

1. Вісник придніпровської державної Академії будівництва та архітектури, №9, вересень 2009 (138) Приходько А.П., Сторчай Н.С. Нанотехнологии: состояние, направления и тенденции развития в производстве строительних материалов. с. 12

2. Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. - М.: Машиностроение, 2008. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru