Ուղարկել ձեր լավ աշխատանքը գիտելիքների բազայում պարզ է: Օգտագործեք ստորև ներկայացված ձևը

Ուսանողները, ասպիրանտները, երիտասարդ գիտնականները, ովքեր օգտագործում են գիտելիքների բազան իրենց ուսումնառության և աշխատանքի մեջ, շատ շնորհակալ կլինեն ձեզ:

Տեղակայված է http://www.allbest.ru/ կայքում

Ներածություն

Նանոտեխնոլոգիան՝ ատոմային և մոլեկուլային մակարդակներում տեխնոլոգիայի տարրերի արտադրության և հատկությունների գիտությունն այժմ «բոլորի շուրթերին» է: Ֆանտաստիկայի ոլորտից նման տարրերից պատրաստված նանոսարքերն ու նանոմեքենաներն արդեն տեղափոխվում են ժամանակակից կյանք։ Եվ այս գիտության մի մասն է կազմում նանոխողովակների և ֆուլերենի հետազոտության արագ աճող ճյուղը, որը ներգրավել է ֆիզիկոսների, քիմիկոսների և նյութերի գիտնականների հարյուրավոր հետազոտական ​​խմբերի:

Ցանկալի հատկություններով և վերահսկվող չափերով նանոկառուցվածքներ ստեղծելու խնդիրը մեկն է կրիտիկական հարցեր XXI դար. Դրա լուծումը կհեղափոխի էլեկտրոնիկան, նյութագիտությունը, մեխանիկան, քիմիան, բժշկությունը և կենսաբանությունը:

Ածխածնային նանոխողովակները (CNT) եզակի մակրոմոլեկուլային համակարգեր են: Նրանց շատ փոքր նանոմետր տրամագիծը և մեծ միկրոն երկարությունը ցույց են տալիս, որ դրանք կառուցվածքով ամենամոտ են իդեալական միաչափ (ID) համակարգերին: Հետևաբար, CNT-ները իդեալական օբյեկտներ են քվանտային երևույթների, մասնավորապես, քվանտային տրանսպորտի տեսությունը ստուգելու համար ցածր չափերով պինդ վիճակում գտնվող համակարգերում։ Նրանք քիմիապես և ջերմային կայուն են մինչև առնվազն 2000 Կ, ունեն գերազանց ջերմահաղորդություն, յուրահատուկ ամրություն և մեխանիկական բնութագրեր։

Նանոխողովակների կառուցվածքի պարզությունը հնարավորություն է տալիս մշակել դրանց կառուցվածքների տեսական մոդելներ։ Հետևաբար, ապագայում CNT-ներին սպասում են նոր անսպասելի կիրառումներ, հատկապես կենսաբանության կիրառման համար (բջջի ներսում մոլեկուլների մանիպուլյացիա, արհեստական ​​նյարդային ցանցեր, նանոմեխանիկական հիշողություն և այլն):

1. Միաշերտ նանոխողովակներ

1.1 Բացահայտում

1993 թվականի սկզբին գիտնականների մի քանի խմբեր հայտարարեցին, որ օտար նյութերը կարող են ներմուծվել ածխածնային նանոմասնիկների կամ նանոխողովակների մեջ՝ օգտագործելով փոփոխված էլեկտրոդներ աղեղային գոլորշիացման գործընթացում: Ռոդնի Ռուոֆի խումբը Կալիֆորնիայում և Յահաչի Սաիտոյի խումբը Ճապոնիայում ձեռք բերեցին պարուրված LaC2 բյուրեղներ՝ օգտագործելով լանթանով լցոնված էլեկտրոդներ, մինչդեռ Սուփապան Սերաֆինը և գործընկերները հայտնեցին, որ YC2-ը կարող է ներառվել նանոտողովակներում՝ օգտագործելով իտրիում պարունակող էլեկտրոդներ: Այս աշխատանքը բացեց մի ամբողջ նոր դաշտ, որը հիմնված էր նանոմասնիկների և նանոխողովակների վրա՝ որպես «մոլեկուլային տարաներ», բայց այն նաև անուղղակիորեն հանգեցրեց բոլորովին այլ հայտնագործության՝ նույնքան կարևոր կիրառություններով:

Դոնալդ Բեթունը և նրա գործընկերները IBM-ի Կալիֆորնիայի Ալմադեն հետազոտական ​​կենտրոնի Սան Լուիսում շատ հետաքրքրված էին Ռուֆի և այլոց աշխատություններով: Այս խումբն աշխատում էր մագնիսական նյութերի վրա իրենց հիշողության ծրագրերում և կարծում էր, որ ածխածնային պարկուճով ֆերոմագնիսական անցումային մետաղի բյուրեղները կարող են մեծ արժեք ունենալ այս ոլորտում: Նման նյութերում պարուրված մետաղական մասնիկները պետք է պահպանեն իրենց մագնիսական պահերը և միաժամանակ քիմիական և մագնիսական մեկուսացված լինեն իրենց հարևաններից: Մի քանի տարի այս IBM խումբն աշխատում էր «էշուեդրալ ֆուլերենների» վրա. ֆուլերեններ, որոնք պարունակում են փոքր քանակությամբ մետաղի ատոմներ ներսում: Բայց մեծ կլաստերները կամ բյուրեղները ֆուլերինանման բջիջների ներսում կարող են մեծագույն գործնական հետաքրքրություն առաջացնել: Հետևաբար, Բեթունը որոշեց փորձել աղեղային գոլորշիացման փորձեր՝ օգտագործելով էլեկտրոդներ՝ ներծծված երկաթով, կոբալտով և նիկելով ֆերոմագնիսական անցումային մետաղներով: Սակայն այս փորձի արդյունքն ամենևին էլ սպասվածը չէր։ Նախ, աղեղային գոլորշիացման արդյունքում ստացված մուրը նման չէր մաքուր գրաֆիտի աղեղային գոլորշիացման արդյունքում ստացված սովորական նյութին: Մուրի շերտերը սարդոստայնի պես կախված էին խցիկի պատերից, մինչդեռ պատերին նստած նյութն ուներ ռետինե հյուսվածք և կարելի էր հանել։ Երբ Բեթունը և գործընկեր Ռոբերտ Բեյերսը փորձարկեցին այս տարօրինակ նոր նյութը էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով բարձր հստակություն, նրանք զարմացան՝ տեսնելով, որ այն պարունակում է բազմաթիվ նանոխողովակներ՝ մեկ ատոմային շերտով պատերով։ Այս գեղեցիկ խողովակները շփոթված էին ամորֆ մուրի և մետաղի կամ մետաղի կարբիդի մասնիկների հետ՝ աջակցելով այս նյութին այնպես, որ համապատասխանի նրա տարօրինակ հյուսվածքին: Այս փաստաթուղթը ընդունվել է Nature-ի կողմից հրապարակման համար և հայտնվել 1993թ. հունիսին:

Նկար 1.1 - Պատկերներ Bethune-ից և ուրիշներից, որոնք ցույց են տալիս միապատի ածխածնային նանոխողովակներ, որոնք արտադրվել են գրաֆիտի և կոբալտի համատեղ գոլորշիացման արդյունքում: Խողովակների տրամագիծը մոտ 1,2 նմ է:

Անկախ ամերիկյան խմբից՝ Ճապոնիայի NEC Laboratories-ից Սումիո Իիջիման և Տոշինարի Իչիհաշին նույնպես փորձեր են կատարել աղեղային գոլորշիացման հետ՝ օգտագործելով փոփոխված էլեկտրոդներ: Բացի այդ, նրանց հետաքրքրում էր աղեղի գոլորշիացման պալատի ներսում մթնոլորտը փոխելու ազդեցությունը: Ինչպես և Բեթունը և նրա գործընկերները, նրանք հայտնաբերեցին, որ որոշակի պայմաններում շատ տարբեր տեսակի մուր է արտադրվում, որը տարբերվում է աղեղային գոլորշիացման արդյունքում սովորաբար առաջացող մուրից: Այս հետազոտության համար ճապոնացի գիտնականներն իրենց էլեկտրոդներում երկաթ են տեղադրել և որպես մթնոլորտ հելիումի փոխարեն օգտագործել մեթանի և արգոնի խառնուրդ: Բարձր լուծաչափով էլեկտրոնային մանրադիտակով ստուգվելիս պարզվեց, որ նման աղեղային գոլորշիացման նյութը պարունակում է շատ ուշագրավ նանոխողովակներ, որոնք թելերի պես ձգվում են ամորֆ նյութի կամ մետաղական մասնիկների կլաստերների միջև: Միակ պատերով նանոխողովակները տարբերվում են շարունակական աղեղային գոլորշիացման ժամանակ ստացվածներից շատ նեղ տրամագծով բաշխմամբ: «Սովորական» խողովակների դեպքում ներքին տրամագիծը տատանվում է 1,5-ից 15 նմ, իսկ արտաքին տրամագիծը՝ 2,5-ից 30 նմ: Մյուս կողմից, մեկ պատի նանոխողովակները բոլորն ունեն շատ նման տրամագծեր: Բեթունի և գործընկերների նյութում նանոխողովակներն ունեին 1,2 (± 0,1) նմ տրամագծեր, մինչդեռ Իջիմայ Իչիհաշին պարզեց, որ խողովակի տրամագիծը տատանվում է 0,7-ից մինչև 1,6 նմ՝ կենտրոնացած մոտ 1,05 նմ: Ինչպես սովորական աղեղային գոլորշիացման արդյունքում ստացված խողովակները, բոլոր միապատի նանոխողովակները ծածկված էին, և այդ խողովակների ծայրերում մետաղական կատալիզատորի մասնիկների առկայության ապացույց չկար: Այնուամենայնիվ, ենթադրվում է, որ միապատի նանոխողովակների աճը հիմնականում կատալիտիկ է:

1.2 Հետագա աշխատանք միապատի նանոխողովակների վրա

Հետևելով բնօրինակին հիմնարար հետազոտությունԴոնալդ Բեթունը և նրա գործընկերները IBM-ից Սան Խոսեում, Կալիֆորնիայի տեխնոլոգիական ինստիտուտի, տեխնոլոգիական ինստիտուտի և Վիրջինիայի պետական ​​համալսարանի գիտնականների հետ համատեղ, մի շարք հետազոտություններ են անցկացրել միապատի նանոխողովակների պատրաստման վերաբերյալ՝ օգտագործելով «կատալիզատորների» զանգվածը: « Առաջին սերիաներից մեկում նրանք ցույց տվեցին, որ ծծմբի և կոբալտի ավելացումը անոդին (մաքուր S կամ CoS) հանգեցրեց տրամագծերի ավելի լայն տիրույթով նանոխողովակների, քան միայն կոբալտով պատրաստվելու դեպքում: Այսպիսով, կաթոդում ծծումբ հայտնաբերելիս ստացվել են 1-ից 6 նմ տրամագծով միաշերտ նանոխողովակներ, իսկ մաքուր կոբալտի դեպքում՝ 1-2 նմ: Հետագայում ցույց տրվեց, որ բիսմութը և կապարը կարող են նմանապես նպաստել մեծ տրամագծով խողովակների ձևավորմանը:

1997թ.-ին ֆրանսիական խումբը ցույց տվեց, որ նանոխողովակների բարձր թողունակություն կարելի է ձեռք բերել նաև աղեղային գոլորշիացման միջոցով: Նրանց մեթոդը նման էր Բեթունի և գործընկերների սկզբնական տեխնիկային, բայց նրանք օգտագործում էին ռեակտորի մի փոքր այլ երկրաչափություն: Բացի այդ, որպես կատալիզատոր օգտագործվում էր նիկել/իտրիումի խառնուրդ, այլ ոչ թե կոբալտը, որը նախընտրում էր Bethune խումբը: Պարզվել է, որ կաթոդի հանքավայրի շուրջ «օձիքում» ձևավորվել է ամենամեծ թվով նանոխողովակներ, որը կազմում է գոլորշիացված նյութի ընդհանուր զանգվածի մոտավորապես 20%-ը։ Խողովակների ընդհանուր թողունակությունը գնահատվել է 70-90%: Բարձր լուծաչափով էլեկտրոնային մանրադիտակով «օձիքի» նյութի ուսումնասիրությունը ցույց է տվել մոտ 1,4 նմ տրամագծով խողովակներից բազմաթիվ կապոցների առկայությունը։ Այս ելքը և ստացված խողովակների տեսքը նման են լազերային գոլորշիացման օգտագործմամբ Smalley խմբի «քարշակ» նմուշներին։

1993-ի վերջին Շեխար Սուբրամոնին ԴյուՊոնտից Ուիլմինգտոնում, Դելավեր, SPI International-ի հետազոտողների հետ համագործակցելով մեկ պատի նանոխողովակների արտադրությունը այլ կերպ նկարագրեց: Այս գիտնականները կիրառեցին աղեղային գոլորշիացում՝ օգտագործելով գադոլինիումով լցված էլեկտրոդներ և մուր հավաքեցին ռեակտորի պատերից: Մեծ քանակությամբ ամորֆ ածխածնի հետ միասին մուրը պարունակում էր « ծովախոզուկ», որը պարունակում էր միաշերտ նանոխողովակներ, որոնք աճում էին գադոլինիումի կարբիդի համեմատաբար մեծ մասնիկների վրա (տասնյակ նանոմետրերի բնորոշ չափսերով): Նման խողովակներն ավելի կարճ էին, քան երկաթի խմբի մետաղներից ստացվածները, բայց ունեին տրամագծերի նույն տիրույթը: Հետագա հետազոտությունները ցույց տվեցին: որ շառավղային միաշերտ նանոխողովակները կարող են ձևավորվել մի շարք այլ մետաղների վրա, այդ թվում՝ լանթանի և իտրիումի: Նկար 1.2-ը, վերցված Սաիտոյի և գործընկերների աշխատանքից, ցույց է տալիս միապատի նանոխողովակների բնորոշ պատկերը, որը ճառագայթային աճում է լանթան պարունակող մասնիկից: Երկաթի խմբի մետաղները, հազվագյուտ հողային տարրերը հայտնի չեն որպես կատալիզատորներ բազմաշերտ նանոխողովակներ ստանալու համար, ուստի զարմանալի է, որ դրանց վրա խողովակներ են ձևավորվում: Այն փաստը, որ խողովակները աճում են համեմատաբար մեծ մասնիկների վրա, հուշում է, որ աճի նման մեխանիզմը տարբեր է: Առաջարկվում է, որ խողովակների աճը մասնիկների մակերեսների վրա կարող է ներառել գերհագեցած ածխածնի ատոմների արտազատում կարբիդի մասնիկների ներսից: Նկատի ունեցեք, որ ուրախ ենք Կատալիտիկ մասնիկների բազմաշերտ խողովակների աճը նկատվել է շատ տարիներ առաջ Բեյքերի և այլոց կողմից։

Մինչ այժմ քննարկված մեթոդները մեկ պատի նանոխողովակների արտադրության համար ներառում են աղեղային գոլորշիացում՝ փոփոխված էլեկտրոդների միջոցով: Սմոլլիի և գործընկերների աշխատանքը ցույց տվեց, որ միապատի նանոխողովակները կարող են սինթեզվել նաև զուտ կատալիտիկ մեթոդով։ Կատալիզատորը, օգտագործելով մի քանի նանոմետր տրամագծով մոլիբդենի մասնիկներ, գտնվում էր ալյումինի վրա։ Այս ամենը տեղադրվել է խողովականման վառարանի ներսում, որի միջով 1200 °C ջերմաստիճանում ածխածնի մոնօքսիդ է անցկացվել։ Այս ջերմաստիճանը շատ ավելի բարձր է, քան սովորաբար օգտագործվում է նանոխողովակների կատալիտիկ արտադրության մեջ, ինչը կարող է բացատրել, թե ինչու են ձևավորվում միապատի, այլ ոչ թե բազմաշերտ նանոխողովակներ:

Կատալիզիկորեն պատրաստված միաշերտ խողովակներն ունեին մի շարք հետաքրքիր առանձնահատկություններ, որոնք տարբերում էին դրանք աղեղային գոլորշիացման միջոցով սինթեզված խողովակներից։ Նախ, կատալիտիկ խողովակները սովորաբար ունեին փոքր մետաղական մասնիկներ, որոնք կցված էին ծայրին, ճիշտ ինչպես կատալիզի միջոցով արտադրված բազմաշերտ խողովակները: Կար նաև մասնիկների տրամագծերի լայն շրջանակ (մոտ 1-5 նմ) և թվում էր, թե յուրաքանչյուր խողովակի տրամագիծը որոշվում է համապատասխան կատալիզատորի մասնիկի տրամագծով։ Վերջապես, կատալիտիկորեն ձևավորված միաշերտ խողովակները սովորաբար մեկուսացված են, այլ ոչ թե փաթեթավորված, ինչպես դա տեղի է ունենում աղեղային գոլորշիացման միջոցով սինթեզված խողովակների դեպքում:

Այս դիտարկումները Սմոլլիին և գործընկերներին հնարավորություն տվեցին առաջարկել կատալիտիկ ձևավորված խողովակների աճի մեխանիզմ, որը ներառում է միաշերտ գլխարկի սկզբնական ձևավորումը (նրանք անվանում էին yarmolka, եբրայերեն գանգուղեղի անվանումը), որին հաջորդում է այս գլխարկի աճը՝ բաժանվելով կատալիտիկ մասնիկներ, որոնք հետագայում թողնում են խողովակը: Այս մեխանիզմը բոլորովին տարբերվում է նրանց առաջարկածից՝ լազերային գոլորշիացման ժամանակ միաշերտ խողովակների աճի համար։

Նկար 1.2 - Լանթանի մասնիկի վրա աճող միաշերտ նանոխողովակներ

Նկար 1.3 - միաշերտ նանոխողովակների «փաթեթներից» նմուշների TEM պատկերներ (ա)

Ցածր լուծաչափով պատկեր, որը ցույց է տալիս մեծ թվով փաթեթներ, բ) առանձին փաթեթի բարձր լուծաչափի միկրոգրաֆը, որը ցուցադրված է իր առանցքի երկայնքով:

1.3 Nanotube փաթեթներ

Ռայս C60-ում 1985 թվականին հայտնաբերումից ի վեր, Սմալլիի խումբը կենտրոնացել է լազերների օգտագործման վրա՝ ֆուլերինանման նյութերի սինթեզում: 1995-ին նրանք զեկուցեցին լազերային միաձուլման տեխնոլոգիայի զարգացման մասին, որը թույլ տվեց նրանց ձեռք բերել բարձր արտադրողականության միապատի նանոխողովակներ: Այս մեթոդի հետագա բարելավումները հանգեցրել են արտասովոր միատեսակ տրամագծերով միապատի նանոխողովակների արտադրությանը: Միասեռ միապատի նանոխողովակների լավագույն ելքը ստացվել է Co-ի և Ni-ի հավասար մասերից կազմված կատալիզատորային խառնուրդով, և կրկնակի զարկերակ է օգտագործվել՝ ապահովելու նման թիրախի ավելի հավասարաչափ գոլորշիացում:

Այս տեխնոլոգիայով ստացված նյութի մի քանի միկրոգրաֆիա ներկայացված է Նկար 1.3-ում: Գեներալի կողմից տեսքըայն շատ նման է աղեղային գոլորշիացման արդյունքում ստացված նյութին։ Այնուամենայնիվ, առանձին խողովակները հակված են ձևավորել «փաթեթներ» կամ երկարաձգված կապոցներ, որոնք բաղկացած են նույն տրամագծով առանձին խողովակներից: Երբեմն հնարավոր էր հայտնաբերել կապոցներ, որոնք անցնում էին էլեկտրոնային փնջի ուղղությունից մոտ հեռավորության վրա, այնպես որ կարելի էր դրանք տեսնել «ծայրից ծայր», ինչպես նկար 1.3(բ)-ում: Էլեկտրոնային մանրադիտակից բացի, Սմոլլին և գործընկերները կատարել են ռենտգենյան դիֆրակցիոն չափումներ պարանների նմուշների վրա՝ համագործակցելով Ջոն Ֆիշերի և Փենսիլվանիայի պետական ​​համալսարանի համահեղինակների հետ: 2D ցանցից ստացվել են լավ արտահայտված արտացոլումներ՝ հաստատելով, որ խողովակներն ունեին նույն տրամագծերը: Գտնվել է լավ համաձայնություն փորձարարական տվյալների հետ՝ ենթադրելով, որ նանոխողովակների տրամագիծը 1,38 նմ է, ±0,02 նմ սխալով: Խողովակների միջև վան դեր Վալսի բացը պարզվել է 0,315 նմ, որը նման է բյուրեղային C 60-ին: XRD ուսումնասիրություններից եզրակացություն է արվել, որ այս կապոցները հիմնականում կազմված են (10,10) բազկաթոռի նանոխողովակներից: Սա հստակորեն հաստատվել է էլեկտրոնային փնջի էլեկտրոնային նանոդիֆրակցիայի չափումներով, այնպես որ կարելի է տեսնել դրանք «վերջում», ինչպես Նկար 1.3(բ)-ում:

2. Նանոխողովակների աճի տեսություններ

2.1 Ընդհանուր դիտողություններ

Կարևոր է նախ հաշվի առնել խողովակի կառուցվածքի աճի ազդեցությունը: Իր 1991 թվականին «Nature» աշխատության մեջ Իիջիման նշել է, որ ուղղաձիգ կառուցվածքը կարծես նախընտրելի է, քանի որ նման խողովակները աճող ծայրում ունեն կրկնվող բարձրություն: Այս ենթադրությունը, որը պատկերված է Նկար 2-ում, շատ նման է բյուրեղյա մակերեսի վրա պտուտակի տեղահանման տեսքին: Բազկաթոռը և զիգզագաձև նանոխողովակները չունեն աճի նախընտրելի կառուցվածք և պետք է պահանջեն վեցանկյունների նոր օղակի վերածնում: Սա ենթադրում է, որ պտուտակավոր նանոխողովակները պետք է ավելի հաճախ դիտարկվեն, քան բազկաթոռները կամ զիգզագները, թեև ներկայումս բավարար փորձարարական ապացույցներ չկան դա հաստատելու համար:

Նկար 2 - Երկու համակենտրոն պարուրաձև խողովակների գծագրում, որոնք ցույց են տալիս աստիճանների առկայությունը աճող ծայրերում (5)

Հաջորդը, աճի մեխանիզմի համար շատ կարևոր հարց կա՝ աճող խողովակները փակ թե բաց ծայրեր ունեն: Նանոխողովակների աճի վաղ մոդելը, որն առաջին անգամ առաջարկվել էր Էնդոյի և Կրոտոյի կողմից, պաշտպանում էր փակ մեխանիզմը: Նրանք ենթադրում էին, որ ածխածնի ատոմները կարող են տեղադրվել փակ ֆուլերենի մակերևույթի մեջ՝ հնգանկյուն օղակների մոտակայքում, որին հաջորդում է անցում հավասարակշռության վիճակի, որի արդյունքում սկզբնական ֆուլերենը շարունակաբար դուրս է քաշվելու: Ի պաշտպանություն այս գաղափարի՝ Էնդոն և Կրոտոն մեջբերեցին Ուլմերի և այլոց ցույցերը, որ C 60 և C 70-ը կարող են հստակորեն վերածվել մեծ ֆուլերենների՝ ածխածնի փոքր մասերի ավելացման դեպքում:

Թեև Էնդո-Կրոտո մեխանիզմը հիմնավոր բացատրություն է տալիս միապատի նանոխողովակների աճի համար, այն շարունակում է մնալ հիմնական խնդիր բազմաշերտ աճը բացատրելու համար: Endo և Kroto մոդելները դիտարկելիս նրանք առաջարկում են, որ բազմաշերտ աճը կարող է իրականացվել «էպիտաքսիալ»: Եթե ​​դա այդպես է, կարծես թե ակնհայտ պատճառ չկա, թե ինչու երկրորդ շերտը չպետք է սկսի աճել սկզբնական ֆուլերինի ձևավորումից անմիջապես հետո, և երբ երկրորդ շերտը փակվի, ներքին խողովակի հետագա երկարացումը անհնար կլինի: Բայց սա հակասում է այն դիտարկմանը, որ խողովակների մեծ մասը բազմաշերտ է ամբողջ երկարությամբ: Նման մոդելը նաև դժվարություններ ունի բացատրելու բազմաթիվ ճյուղեր ունեցող կառույցները: Այս պատճառներով Էնդո-Կրոտո փակ աճի մեխանիզմը լայնորեն ընդունված չէ:

Եզրակացությունը, որ աճի մեխանիզմը պետք է տեղի ունենա խողովակի բաց ծայրով, որոշ չափով նախընտրելի է: Ինչպես ասաց Ռիչարդ Սմալլին, «Եթե մենք 1984-1985 թվականներից ի վեր ինչ-որ բան սովորել ենք այն մասին, թե ինչպես է ածխածինը խտանում, ապա դա այն է, որ բաց թիթեղները պետք է հեշտությամբ միացնեն հնգանկյունները՝ վերացնելու կախված կապերը»: Խողովակների փակման համար բարենպաստ պայմաններում բաց ծայրով մնալու խնդիրն այն խնդիրներից է, որը քննարկվել է. ամբողջ գիծըհեղինակներ.

2.2 Ինչու են նանոխողովակները բաց մնում աճի ընթացքում

Որոշ հեղինակներ, հատկապես Սմոլլին և գործընկերները, ենթադրել են, որ աղեղի էլեկտրական դաշտը կարող է կարևոր դեր խաղալ աճի ընթացքում խողովակները բաց պահելու գործում: Ավելի ճիշտ, այն պետք է օգներ բացատրել, թե ինչու նանոխողովակները երբեք չեն հայտնաբերվել աղեղային գոլորշիացման խցիկի պատերին խտացված մուրի մեջ: Այնուամենայնիվ, հաշվարկները ցույց են տվել, որ դաշտի կողմից առաջացած բաց էներգիայի կրճատումը բավարար չէ բաց կոնֆիգուրացիան կայունացնելու համար, բացառությամբ անիրատեսական բարձր դաշտերի: Հետևաբար, մշակվել է էլեգանտ մոդել, որտեղ ատոմը «կետով զոդվում է» շերտերի միջև՝ օգնելով կայունացնել բաց ծայրի ձևավորումը, այլ ոչ թե փակել այն։

Այս գաղափարը հաստատվեց առանձին բազմաշերտ նանոխողովակների փակման փորձերով՝ լարման տարբերությամբ և առանց կիրառման: Նման մոդելը կարող է օգնել հասկանալ աղեղի մեջ նանոխողովակների աճը, բայց չի կարող կիրառվել խողովակի աճի դեպքում, որտեղ ուժեղ էլեկտրական դաշտեր չկան: Սա ստիպել է որոշ հեղինակների առաջարկել, որ միայն համակցված համակենտրոն խողովակների փոխազդեցությունները կարող են էական լինել բաց խողովակների կայունացման համար:

Երկու համակցված խողովակների փոխազդեցության մանրամասն վերլուծություն է կատարվել Ժան-Քրիստոֆ Շառլիերի և գործընկերների կողմից՝ օգտագործելով մոլեկուլային դինամիկայի մեթոդները: Նրանք նայեցին (10,0) խողովակին (18,0) խողովակի մեջ և պարզեցին, որ կամուրջներ են գոյացել երկու խողովակների ծայրերի միջև: Պարզվել է, որ բարձր ջերմաստիճաններում (3000 Կ) կպչուն կապող կառույցների կոնֆիգուրացիան անընդհատ տատանվում է։ Ենթադրվում էր, որ տատանվող կառուցվածքը պետք է ակտիվ տեղամասեր ստեղծի ածխածնի նոր ատոմների կլանման և ներմուծման համար՝ դրանով իսկ նպաստելով խողովակի աճին:

Այս տեսության խնդիրն այն է, որ այն չի կարող բացատրել մեծ տրամագծով մեկ պատի խողովակների աճը ֆուլերենային մուրի վրա ջերմային ազդեցության տակ: Ընդհանուր առմամբ, ներկայումս բաց նանոխողովակների աճի ամբողջական բացատրությունը կարծես թե չկա։

2.3 Աղեղի պլազմայի հատկությունները

Նախկինում քննարկված նանոխողովակների աճի մոդելների մեծ մասը ենթադրում է, որ խողովակները միջուկավոր են և աճում են աղեղային պլազմայում: Այնուամենայնիվ, որոշ հեղինակներ հաշվի են առել բուն պլազմայի ֆիզիկական վիճակը և նրա դերը նանոխողովակների ձևավորման գործում: Այս խնդրի առավել մանրամասն քննարկումն իրականացվել է պլազմայի ֆիզիկայի փորձագետ Եվգենի Գամալեյի և Թոմաս Էբբեսենի կողմից (30, 31): Սա բարդ խնդիր է, և այստեղ հնարավոր է միայն համառոտ ամփոփում:

Գամալեին և Էբբեսենը սկսում են այն ենթադրությունից, որ նանոխողովակները և նանոմասնիկները ձևավորվում են կաթոդի մակերեսին մոտ գտնվող աղեղային շրջանում: Այսպիսով, նրանք վերլուծում են ածխածնի գոլորշիների խտությունն ու արագությունը տարածքում՝ հաշվի առնելով հենց աղեղի ջերմաստիճանն ու հատկությունները, որպեսզի մշակեն իրենց մոդելը: Նրանք կարծում են, որ ածխածնի մասնիկների երկու խումբ՝ տարբեր արագության բաշխումներով, գոյություն կունենան կաթոդի մակերեսին մոտ գտնվող ածխածնի գոլորշիների շերտում։ Այս գաղափարը կենտրոնական է նրանց աճի մոդելի համար: Ածխածնի մասնիկների մի խումբը պետք է ունենա Մաքսվելյան, այսինքն. իզոտրոպ արագության բաշխում, որը համապատասխանում է աղեղի ջերմաստիճանին (~ 4000 Կ): Մյուս խումբը բաղկացած է իոններից, որոնք արագանում են դրական տիեզերական լիցքի և կաթոդի միջև ընկած բացվածքում։ Այս ածխածնի մասնիկների արագությունը պետք է լինի ավելի մեծ, քան ջերմային մասնիկների արագությունը, որի դեպքում հոսքը պետք է լինի ուղղորդված, այլ ոչ թե իզոտրոպ: Նանոխողովակների (և նանոմասնիկների) ձևավորման գործընթացը համարվում է ցիկլերի շարք, որոնցից յուրաքանչյուրը բաղկացած է հետևյալ քայլերից.

1. Սաղմի ձևավորում. Լիցքաթափման գործընթացի սկզբում ածխածնի արագության բաշխումը գոլորշիացված շերտում հիմնականում մաքսվելյան է, և դա հանգեցնում է առանց որևէ սիմետրիայի առանցքի կառուցվածքների, ինչպիսիք են նանոմասնիկները: Քանի որ հոսանքը դառնում է ավելի ուղղորդված, սկսում են ձևավորվել բաց կառուցվածքներ, որոնք Գամալեին և Էբբեսենը համարում են նանոխողովակների աճի միջուկներ։

2.Խողովակի աճը կայուն ելքի ժամանակ: Երբ արտանետումը կայունանում է, ածխածնի իոնների հոսքը թափանցում է գոլորշիների շերտ՝ կաթոդի մակերեսին ուղղահայաց ուղղությամբ։ Ածխածնի այս մասնիկները կնպաստեն միապատի և բազմապատի նանոխողովակների երկարացմանը։ Քանի որ ուղղորդված ածխածնի մասնիկների փոխազդեցությունը պինդ մակերեսի հետ պետք է լինի ավելի ինտենսիվ, քան գոլորշիների շերտի ածխածնի մասնիկների փոխազդեցությունը, ընդլայնված կառուցվածքների աճը պետք է գերակշռի իզոտրոպ կառուցվածքների ձևավորման նկատմամբ: Այնուամենայնիվ, կաթոդի մակերեսի վրա գոլորշիների շերտից ածխածնի խտացումը կնպաստի նանոխողովակների խտացմանը:

3. Աճման ավարտ և փակում: Գամալին և Էբբեսենը նշում են, որ նանոխողովակները հաճախ աճում են կապոցներով, և որ բոլոր խողովակների համար դիտարկված փաթեթում աճը և ավարտը տեղի են ունենում մոտավորապես միաժամանակ: Սա նրանց թույլ է տալիս ենթադրել, որ աղեղի արտանետման մեջ անկայունություններ են առաջանում, ինչը կարող է հանգեցնել նանոխողովակների աճի հանկարծակի դադարեցմանը: Նման անկայունությունները կարող են առաջանալ կաթոդի կետի անկայուն շարժումից կաթոդի մակերևույթի երկայնքով կամ աղեղի ինքնաբուխ ընդհատումից և բռնկումից: Նման հանգամանքներում ածխածնի մասնիկները մաքսվելյան արագության բաշխումով կրկին կգերակշռեն, և այդպիսի ածխածնի խտացումն ի վերջո կհանգեցնի խողովակի փակմանը և աճի դադարեցմանը:

2.4 Այլընտրանքային մոդելներ

Գիտնականները աղեղային գոլորշիացման ժամանակ նանոխողովակների աճի բոլորովին այլ տեսություն են ներկայացրել։ Այս մոդելում նանոխողովակները և նանոմասնիկները չեն աճում աղեղային պլազմայում, այլ ավելի շուտ ձևավորվում են կաթոդում՝ պինդ վիճակի փոխակերպման արդյունքում: Այսպիսով, նանոխողովակների աճը ոչ թե էլեկտրական դաշտի գործողության հետևանք է, այլ պարզապես շատ արագ ջեռուցումաղեղի գործողության ընթացքում կաթոդի վրա նստած նյութի բարձր ջերմաստիճաններին: Այս գաղափարը սկիզբ է առել այն դիտարկումից, որ նանոխողովակները կարող են պատրաստվել ֆուլերենային մուրի բարձր ջերմաստիճանի ջերմային մշակման միջոցով և ներառում է նանոխողովակների աճի երկփուլ գործընթաց, որտեղ ֆուլերենի մուրը միջանկյալ արտադրանք է: Մոդելը կարելի է ընդհանրացնել հետևյալ կերպ. Վրա վաղ փուլերըաղեղային գոլորշիացում, ֆուլերենի նման նյութը (գումարած ֆուլլերենները) պետք է խտացվի կաթոդի վրա, այնուհետև խտացրած նյութը պետք է ենթարկվի բարձր ջերմաստիճանի աղեղային գործընթացի շարունակման ընթացքում, ինչը կհանգեցնի առաջին միաշերտ, նանոխողովակի ձևավորմանը: նման կառույցներ, իսկ հետո բազմաշերտ նանոխողովակներ: Այս երկփուլ մոդելում առանցքային գործողությունը ֆուլերենի մուրի եռացումն է: Այսպիսով, ռեակտորի պատերին նստած մուրը, որը ենթարկվում է համեմատաբար թույլ հալման, չի փոխակերպվում խողովակների։ Մյուս կողմից, մուրը, որը խտանում է կաթոդի վրա, պարզապես պետք է զգալի թրծման ենթարկվի. դա կհանգեցնի խողովակների և նանոմասնիկների առաջացմանը պինդ զանգվածի տեսքով: Հետևաբար, նման մոդելը մեզ թույլ է տալիս բացատրել այնպիսի փոփոխականների ազդեցությունը, ինչպիսիք են էլեկտրոդների սառեցումը և հելիումի ճնշումը նանոխողովակների արտադրության վրա: Թվում է, որ ջրի սառեցումը պետք է կարևոր լինի կաթոդի ջերմաստիճանը ցածր մակարդակի վրա պահելու համար, որն անհրաժեշտ է խողովակի խարամից խուսափելու համար: Նմանապես, հելիումի դերը կարելի է բացատրել կաթոդի նստվածքի ջերմաստիճանի վրա նրա ազդեցության տեսանկյունից: Քանի որ հելիումը ջերմության հիանալի հաղորդիչ է, բարձր ճնշումները պետք է հանգեցնեն էլեկտրոդի ջերմաստիճանի նվազմանը, ինչը կնվազեցնի այն շրջաններում, որտեղ նանոտողովակների աճը կարող է տեղի ունենալ առանց խարամների:

2.5 Միապատի նանոխողովակների աճ

Եկեք նախ դիտարկենք միաշերտ նանոխողովակների աճը աղեղային գոլորշիչում: Այս գործընթացը ոչ պակաս հարցեր է առաջացնում, քան բազմաշերտ նանոխողովակների աճը աղեղով: Առավել ակնհայտներից են. Ինչո՞ւ են նկատվում միայն միապատի նանոխողովակներ: Ինչու է խողովակների տրամագծերի այդքան նեղ բաշխումը: Ո՞րն է մետաղի դերը: Ինչու են խողովակները ամենից հաճախ աճում փնջերով: Կրկին, մենք ունենք միայն մի քանի վերջնական պատասխան այս հարցերին:

Մի բան, որ պարզ է թվում, այն է, որ միապատի նանոխողովակների աճը հիմնականում պետք է որոշվի կինետիկայով, այլ ոչ թե թերմոդինամիկայով, քանի որ ակնկալվում է, որ շատ փոքր տրամագծով խողովակները ավելի քիչ կայուն կլինեն, քան մեծ տրամագծով խողովակները: Շատ շերտերի բացակայությունը ենթադրաբար սահմանափակված է նաև կինետիկ գործոններով: Ինչ վերաբերում է մետաղի դերին, և՛ Բեթունը, և՛ գործընկերները, և՛ Իիջիման և Իչիհաշին առաջարկել են, որ մետաղի առանձին ատոմները կամ դրանց փոքր կլաստերները կարող են հանդես գալ որպես գոլորշիների փուլի աճի կատալիզատորներ այնպես, ինչպես փոքր մետաղական մասնիկները կատալիզացնում են բազմաշերտ աճը: խողովակներ. Առանձին ատոմների կամ լավ սահմանված կլաստերների ներգրավվածությունը պետք է օգնի բացատրել նեղ ծավալային բաշխումները: Զարմանալիորեն, սակայն, կատալիտիկ մասնիկներ, ըստ երևույթին, երբեք չեն նկատվում մեկ պատի նանոխողովակների վերին մասում: Նույնիսկ եթե կատալիտիկ մասնիկները առանձին ատոմներ են, դրանք կարող են հայտնաբերվել բարձր լուծաչափով էլեկտրոնային մանրադիտակով կամ սկանավորող փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակով (STEM): Հնարավոր է, որ խողովակների փակման ժամանակ կատալիտիկ ատոմները կամ մասնիկներն անջատվեն։ Ինչպես նշվեց վերևում, Բեթունը և գործընկերները ցույց են տվել, որ մետաղին այնպիսի տարրերի ավելացումը, ինչպիսին ծծումբն է, կարող է մեծապես խանգարել խողովակների տրամագծերի բաշխմանը: Այս երևույթի հետագա ուսումնասիրությունը կարող է օգտակար պատկերացումներ տալ աճի մեխանիզմի վերաբերյալ:

Մեկ պատի նանոխողովակների աճի մանրամասն մոդել մշակելու մի քանի փորձերից մեկն իրականացվել է Չինգ-Հվա Կիանգի և Ուիլյամ Գոդարդի կողմից: Այս հետազոտողները ենթադրում են, որ լիակատար պոլիենային օղակները կարող են ծառայել որպես միջուկներ մեկ պատի նանոխողովակների ձևավորման համար: Ցույց է տրվել, որ նման օղակաձև կառուցվածքները պետք է լինեն գերիշխող մասնիկներ ածխածնային զույգերում, մինչդեռ փակ շրջանակային կառույցները գերակշռում են մեծ չափսերում: Ենթադրվում է, որ ածխածնային օղակները կարող են լինել ֆուլերենների ձևավորման պրեկուրսորներ, թեև դա մնում է հակասական: Կիանգը և Գոդարդը կարծում են, որ միապատի նանոխողովակների ձևավորման սկզբնական նյութերը ածխածնային միացիկ օղակներն են և գազաֆազ կոբալտային կարբիդային կլաստերները, հնարավոր է, լիցքավորված: Կոբալտի կարբիդային կլաստերները գործում են որպես կատալիզատորներ, երբ կցվում են C 2 օղակներին կամ այլ մասնիկներին: Այս հեղինակները ենթադրում են, որ կոնկրետ կոնֆորմացիան պետք է ազդի առաջացող նանոխողովակի կառուցվածքի վրա:

Սմոլլին և նրա գործընկերները, հետևելով նանո խողովակների կապոցների սինթեզին, առաջարկել են աճի մեխանիզմ, որը որոշ նմանություններ ունի Կիանգի և Գոդարդի մեխանիզմների հետ: Այս մոդելը հիմնված է այն ենթադրության վրա, որ բոլոր խողովակներն ունեն նույն (10,10) աթոռի կառուցվածքը: Այս կառուցվածքը եզակի է նրանով, որ թույլ է տալիս բաց վեցանկյուն օղակները «համընկնել» եռակի կապերով, թեև դրանք պետք է զգալիորեն լարվեն՝ համեմատած իրենց սկզբնական գծային դասավորության հետ: Այնուհետև Սմոլլիի խումբն առաջարկում է, որ մեկ նիկելի ատոմը քիմիապես կլանվի դեպի խողովակի ծայրը և «անցնի» ծայրամասով (Նկար 2.1)՝ օգնելով մուտքային ածխածնի ատոմներին տեղավորվել վեցանկյուն օղակների վրա: Ցանկացած տեղական ոչ օպտիմալ կառուցվածք, ներառյալ հնգանկյունները, կարտացոլվեն, այնպես որ նման խողովակը կշարունակի աճել անորոշ ժամանակով:

Այստեղ, ինչպես նաև մեկ պատի նանոխողովակների աճի համար առաջարկվող այլ մեխանիզմների համար, ուղղակի փորձարարական ապացույցներ չկան։

Նկար 2.1 - «սկուտերի» մեխանիզմի նկարազարդումը (10,10) աթոռի նանոխողովակների աճի ժամանակ:

Աշխարհի մի շարք գիտնականների խմբեր փորձել են մաքրել նանոխողովակների նմուշները՝ օգտագործելով այնպիսի մեթոդներ, ինչպիսիք են ցենտրիֆուգումը, ֆիլտրացումը և քրոմատագրումը: Այս մեթոդներից մի քանիսը ներառում են նանոխողովակ պարունակող նյութի կոլոիդային կախույթների նախնական պատրաստում` օգտագործելով մակերեսային ակտիվ նյութեր: Օրինակ՝ Ժան-Մարկ Բոնարդը և նրա գործընկերներն օգտագործել են նատրիումի դոդեկացիկլոսուլֆատ (SDS) անիոնային մակերևութային ակտիվ նյութ՝ ջրի մեջ նանոխողովակների և նանոմասնիկների կայուն կասեցման հասնելու համար: Սկզբում նանոխողովակները նանոմասնիկներից առանձնացնելու համար կիրառվել է ֆիլտրման մեթոդ, սակայն ավելի հաջող տարանջատումը ձեռք է բերվել պարզապես թույլ տալով, որ նանոխողովակները ծալքավորվեն՝ թողնելով նանոմասնիկները կախված վիճակում: Նստվածքը կարելի է հեռացնել, այնուհետև շարունակել տեղումների հետագա ընթացակարգերը: Սա ոչ միայն հնարավորություն տվեց արդյունահանել նանոմասնիկները, այլև հանգեցրեց խողովակների երկարությամբ որոշակի բաժանման:

Նանոխողովակների չափերի տարանջատման մեկ այլ մեթոդ նկարագրված է Դյուիսբերգի և Շտուտգարտի Մաքս-Պլանկի ինստիտուտի և Դուբլինի Թրինիթի քոլեջի գործընկերների կողմից: Խողովակների և այլ նյութի տարանջատումը կրկին ստացվել է SDN թթվով: Այնուհետև տարանջատումն իրականացվեց՝ օգտագործելով չափի բացառման քրոմատոգրաֆիա (SEC): Այս տեխնոլոգիան լայնորեն օգտագործվել է կենսաբանական մակրոմոլեկուլները առանձնացնելու համար, և հեղինակները ցույց են տվել, որ հնարավոր է հաջողությամբ բաժանել նանոխողովակների նմուշները տարբեր երկարությունների խողովակներով ֆրակցիաների: Մակերեւութային ակտիվ նյութերի օգտագործման հնարավոր թերությունը, ինչպիսին է SDN-ն, նանոխողովակների մաքրման մեջ այն է, որ մակերևութային ակտիվ նյութի հետքերը կարող են մնալ վերջնական արտադրանքի մեջ: Այնուամենայնիվ, Բոնարդը և գործընկերները ցույց են տվել, որ հնարավոր է հասնել SDS-ի 0,1%-ից ցածր կրճատումների՝ լվանալով:

3. Մեկ շերտով խողովակների մաքրում

Մշակվել են նաև մեկ պատի խողովակների մաքրման տեխնիկա, թեև այս գործընթացը պահանջում է ավելի շատ ջանք, քան բազմաշերտ նանոխողովակները: Բացի ամորֆ ածխածնի մեծ քանակից, նանոխողովակներ պարունակող ածխածնի սևը պարունակում է նաև մետաղական մասնիկներ, որոնք իրենք հաճախ պատված են ածխածնով: Ավելին, բազմաշերտ նանոխողովակների մաքրման համար օգտագործվող խիստ օքսիդացման մեթոդները նույնպես կործանարար են միաշերտ խողովակների համար:

Ճապոնացի գիտնականները քայլ առ քայլ նկարագրել են տարբեր կեղտերի հաջորդական բացառման գործընթացը։ Առաջին քայլը ներառում էր չմշակված մուրը 12 ժամ թորած ջրով լվանալը, որին հաջորդում է զտումը և չորացումը: Այս ընթացակարգը հնարավորություն տվեց հեռացնել գրաֆիտի որոշ մասնիկներ և ամորֆ ածխածին: Ֆուլերենները լվանում էին տոլուոլով Սոքսլե ապարատի մեջ: Այնուհետև մուրը 20 րոպե օդում տաքացրել են մինչև 470°C, որպեսզի ազատվեն մետաղի մասնիկներից։ Ի վերջո, մնացած մուրը ենթարկվել է պերքլորաթթվի՝ մետաղի մասնիկները լուծելու համար: Վերջնական արտադրանքի էլեկտրոնային մանրադիտակի և ռենտգենյան դիֆրակցիայով ստուգումը ցույց է տվել, որ աղտոտիչների մեծ մասը հեռացվել է, թեև որոշ լցված և դատարկ նանոմասնիկներ մնացել են դրա մեջ:

Սմոլլին և գործընկերները մշակել են միկրոֆիլտրացիայի միջոցով նանոխողովակների նմուշները փաթեթներից մաքրելու մեթոդ: Նրանք առաջինն էին, ովքեր նկարագրեցին կատիոնային մակերևութային ակտիվ նյութի կիրառման տեխնիկան՝ լուծույթի մեջ նանոխողովակների և ուղեկցող նյութի կախոց պատրաստելու համար, այնուհետև նանոխողովակները մեմբրանի վրա նստեցնելու համար: Այնուամենայնիվ, յուրաքանչյուր ֆիլտրումից հետո պահանջվում էին բազմակի ցեխի ֆիլտրումներ՝ մաքրման զգալի մակարդակի հասնելու համար՝ դարձնելով նման ընթացակարգը շատ դանդաղ և անարդյունավետ: Բարելավված մեթոդը նկարագրվել է մի թղթում, որտեղ օգտագործվել է ձայնային զտում, որը նյութը ֆիլտրման ընթացքում պահելով կախովի մեջ և այդպիսով թույլ է տալիս մեծ քանակությամբ նմուշների շարունակական զտման գործընթաց: Այս կերպ հնարավոր է եղել 3-6 ժամվա ընթացքում մաքրել մինչև 150 մլ ածխածնի սև՝ 90%-ից ավելի SWNT պարունակող նյութ ստանալու համար։

Միաշերտ խողովակները կարող են մաքրվել նաև քրոմատոգրաֆիայի միջոցով, Duisburg-ը և այլոք նկարագրել են MWNT-ների համար օգտագործվող մեթոդի նման և ցույց են տվել, որ այն արդյունավետ է SWNT-ների համար:

4. Նանոխողովակների նմուշների հավասարեցում

ածխածնային նանոխողովակ ֆուլերենի նման պլազմա

Վերը նկարագրված պատրաստման մեթոդներից շատերը նմուշներ են արտադրում պատահական կողմնորոշված, նանոտողովակներով: Չնայած խողովակները հաճախ խմբավորվում են կապոցների մեջ, փաթեթներն իրենք ընդհանրապես չեն համընկնում միմյանց հետ: Նանոխողովակների հատկությունները չափելու համար շատ օգտակար կլինի ունենալ նմուշներ, որոնցում բոլոր խողովակները հավասարեցված են նույն ուղղությամբ: Թեև հարթեցված խողովակների պատրաստման կատալիտիկ մեթոդներն արդեն նկարագրված են, անհրաժեշտ էր նաև մշակել տեխնոլոգիաներ՝ դրանց սինթեզից հետո խողովակների նմուշների հավասարեցման համար: Այսպիսով, առաջին նման մեթոդներից մեկն առաջարկվել է 1995 թվականին Շվեյցարիայի École Polytechnique Federale Lausanne համալսարանի խմբի կողմից: Նրանք օգտագործել են աղեղային գոլորշիացման միջոցով պատրաստված MWNT նմուշ, որը մաքրվել է ցենտրիֆուգման և ֆիլտրման միջոցով՝ հեռացնելու նանոմասնիկները և այլ աղտոտիչները: Այնուհետև մաքրված նանոխողովակների բարակ թաղանթները դրվեցին պլաստիկ մակերևույթի վրա, և SEM պատկերները ցույց տվեցին, որ այս խողովակները ուղղահայաց էին թաղանթին այս ազատ նստվածքային վիճակում: Պարզվել է, որ խողովակները կարող են հավասարեցվել նմուշի մակերեսին զուգահեռ՝ նախապես թեթև քսելով տեֆլոնով կամ ալյումինե փայլաթիթեղով: Հեղինակները պնդում են, որ այս մեթոդով ֆիլմերը կարելի է «կամայականորեն մեծացնել», և նրանք օգտագործել են այդ ֆիլմերը դաշտային արտանետումների փորձեր կատարելու համար։

Նանոխողովակների հավասարեցման մեկ այլ մեթոդ է այս խողովակները մատրիցայի մեջ ներդնելը, այնուհետև նման մատրիցը ինչ-որ կերպ արտամղել, որպեսզի խողովակները հարթվեն հոսքի ուղղությամբ:

5. Ածխածնային նանոխողովակների երկարության վերահսկում

1997թ. վերջին Դելֆթի և Ռայսի համալսարանների հետազոտողները նկարագրել են առանձին միապատի նանոխողովակները վերահսկվող երկարությամբ կտրելու տեխնիկան: Օգտագործված նանոխողովակները արտադրվել են լազերային գոլորշիացմամբ Սմալլի խմբի կողմից և դրվել ոսկու միաբյուրեղների մակերեսին` սկանավորելով թունելավորման միջոցով: մանրադիտակ. Երբ հայտնաբերվեց համապատասխան նանոխողովակ, սկանավորումը դադարեցվեց, և Pt/Ir ասեղը հասցվեց դեպի այդ խողովակի ընտրված կետը: Հետո Հետադարձ կապանջատվել է, և որոշակի ժամանակահատվածում ծայրի և նմուշի միջև կիրառվել է լարման իմպուլս: Երբ սկանավորումը վերսկսվեց, նանոտողովակի վրա նկատվում էր կոտրվածք, եթե կտրումը հաջող էր: Ապացուցված է, որ առանձին խողովակները կարող են կտրվել մինչև չորս առանձին դիրքեր: Պարզվել է, որ կտրման գործընթացում կրիտիկական գործոնը լարումն է, քան հոսանքը, կտրման գործընթացի համար պահանջվող նվազագույն լարումը պետք է լինի 4 Վ:

Անհատական ​​նանոխողովակները կարճ երկարությամբ կտրելով՝ հեղինակները կարողացան ցույց տալ, որ կարճ խողովակների էլեկտրական հատկությունները տարբերվում էին սկզբնական նանոխողովակների հատկություններից: Այս տարբերությունները վերագրվում էին քվանտային չափերի էֆեկտների դրսևորմանը։

Առանձին նանոխողովակների երկարությունը վերահսկելու հետ մեկտեղ հնարավոր է նաև կարճ երկարությամբ մեծածավալ նմուշներ կտրել միապատի նանոխողովակներից: Սա ցուցադրվել է 1998 թվականին Սմալլի խմբի կողմից։ Կարճ խողովակներից (դրանք կոչվում էին «ֆուլլերենային խողովակներ») նմուշներ ստանալու ամենաարդյունավետ միջոցը նանոխողովակային նյութի ձայնագրումն է ծծմբային և ազոտական ​​թթուների լուծույթում։ Այս ազդեցության ընթացքում հավատարիմ սոնոքիմիան անցքեր է առաջացնում խողովակային մակերեսների վրա, որոնք հետո հարձակվում են թթուների կողմից՝ ձևավորելով բաց «խողովակներ»: Սմոլլին և գործընկերները ցույց տվեցին, որ այս խողովակները կարող են դասավորվել տարբեր երկարությունների ֆրակցիաների՝ մեթոդով, որը հայտնի է որպես դաշտային հոսքի մասնատում: Նրանք նաև լցրեցին նման բաց նանոխողովակների ծայրերը տարբեր ֆունկցիոնալ խմբերով և ցույց տվեցին, որ ոսկու մասնիկները կարող են կցել ֆունուդիոն խողովակի ծայրերին: Այս աշխատանքը կարելի է համարել ածխածնային նանոխողովակների վրա հիմնված նոր օրգանական քիմիայի սկիզբ։

6. Հետազոտական ​​վերլուծություն

Iijima-ի, Ebbesen-ի և Ajayan-ի աղեղային գոլորշիացման մեթոդը, անկասկած, մնում է նանոխողովակների սինթեզի լավագույն տեխնիկան: Բարձրորակսակայն այն տառապում է մի շարք թերություններով. Նախ, այն աշխատատար է և պահանջում է որոշակի հմտություն՝ վերարտադրելիության համապատասխան մակարդակի հասնելու համար: Երկրորդ, դրա ելքը բավականին ցածր է, քանի որ ավելի շատ գոլորշիացված ածխածին նստում է խցիկի պատերին, քան կաթոդին, և նանոխողովակները աղտոտվում են նանոմասնիկներով և գրաֆիտի այլ բեկորներով: Երրորդ, դա ավելի շատ «թխում» է, քան շարունակական գործընթաց, և հեշտ չէ մեծացնել: Եթե ​​նանոխողովակները երբևէ օգտագործվեն կոմերցիոն ոլորտում լայնածավալ, ապա, ըստ երեւույթին, անհրաժեշտ կլինի օգտագործել պատրաստման այլ եղանակ։ Այս ուղղությամբ առաջընթացը խոչընդոտվում է աղեղի մեջ խողովակի աճի մեխանիզմի ըմբռնման բացակայության պատճառով: Հետևաբար, նանոխողովակների աճի մեխանիզմի պարզաբանմանը նվիրված հետագա հետազոտությունները պետք է ողջունվեն:

Կա ևս մեկ լուրջ թուլություն աղեղային գոլորշիացման մեթոդի և բազմաշերտ նանոխողովակների պատրաստման այլ ընթացիկ տեխնոլոգիաների մեջ. դրանք արտադրում են խողովակների չափսերի և կառուցվածքների լայն տեսականի: Եվ սա կարող է խնդիր լինել ոչ միայն որոշ կիրառությունների համար, այլ նաև թերություն այն տարածքներում, որտեղ անհրաժեշտ են հատուկ խողովակային կառուցվածքներ, ինչպիսին է նանոէլեկտրոնիկան: Հնարավո՞ր է կանխատեսել, թե ինչպես են պատրաստվելու որոշակի կառույցներով խողովակները։ Թերևս դրան կհասնեն կատալիզատորների ստեղծագործական կիրառմամբ։

Հետազոտողները ուշադրություն են հրավիրում մեկ պատի խողովակների ավելի մեծ միատեսակության վրա, քան նրանց բազմապատի նմանակները, գոնե դրանց տրամագծերի առումով: Այնուամենայնիվ, ուղղակիորեն օգտագործվող միապատի խողովակների սինթեզի համար, մեթոդներն ավելի բարդ են, քան բազմապատ նանոխողովակների համար: Smoly խմբի կողմից մշակված լազերային գոլորշիացման տեխնիկան ծառայում է նյութի արտադրությանը լավագույն որակամենաբարձր եկամտաբերությամբ, սակայն այս մեթոդի համար պահանջվող բարձր էներգիայի լազերները միշտ չէ, որ հասանելի են սովորական լաբորատորիայի համար: Ինչպես բազմաշերտ խողովակների դեպքում, հետագա ճանապարհը կարող է ներառել կատալիտիկ մեթոդներ, և այս ուղղությամբ ընթացիկ հետազոտությունները հուսադրող են: Ի վերջո, պետք է հուսալ, որ օրգանական քիմիկոսները կկարողանան ավարտին հասցնել նանոխողովակների ամբողջական սինթեզը: Այնուամենայնիվ, պետք է նկատի ունենալ, որ դա կարող է լինել հեռավոր հեռանկար, քանի որ նույնիսկ C60-ի ամբողջական սինթեզը դեռ չի իրականացվել։

Թեև ներկայումս լավագույն որակի նանոխողովակները ձեռք են բերվում մեթոդների միջոցով, որոնք նույնպես արտադրում են զգալի քանակությամբ աղտոտող նյութ, կարևոր է նշել, որ կան այդ նյութը հեռացնելու մեթոդներ: Բարեբախտաբար, վերջերս զգալի առաջընթաց է գրանցվել այս ոլորտում, և այժմ հասանելի են մի շարք մեթոդներ՝ անցանկալի նանոմասնիկները, միկրոծակոտկեն ածխածինը և այլ աղտոտիչները հեռացնելու ինչպես բազմաշերտ, այնպես էլ միապատ նանոխողովակների նմուշներից: Մշակվել են նաև խողովակների հավասարեցման և վերահսկվող երկարությունների կտրման ընթացակարգեր: Այս տեխնոլոգիաները թույլ կտան առաջընթաց գրանցել այն ոլորտներում, որտեղ մաքուր և հստակ սահմանված նմուշների բացակայությունը դեռևս լուրջ խնդիր է:

Եզրակացություն

Ինջիմայի կողմից 1991 թվականին նկարագրված նանոխողովակների պատրաստման մեթոդը համեմատաբար վատ ելք է տվել՝ դժվարացնելով դրանց կառուցվածքի և հատկությունների հետագա ուսումնասիրությունը։ Մեծ առաջընթացը տեղի ունեցավ 1992թ. հուլիսին, երբ Թոմաս Էբեսենը և Պուլիկել Աջայանը, աշխատելով նույն ճապոնական լաբորատորիայում, ինչպես Iijima-ն, նկարագրեցին նանոտողովակների գրամային քանակությունների պատրաստման մեթոդ: Կրկին, սա անսպասելի հայտնագործություն էր. ֆուլերինի ածանցյալներ պատրաստելիս Էբեսենը և Աջայանը պարզեցին, որ աղեղային խցիկում հելիումի ճնշման ավելացումը կտրուկ բարելավում է կաթոդային մուրում ձևավորված նանոխողովակների ելքը: Նանոխողովակների մեծ ծավալների առկայությունը հանգեցրել է ամբողջ աշխարհում հետազոտության տեմպերի ահռելի աճի:

Մեկ այլ ոլորտ, որը վաղ շրջանում հետաքրքրություն առաջացրեց, ածխածնային նանոխողովակների և նանոմասնիկների օգտագործման գաղափարն էր որպես «մոլեկուլային տարաներ»: Այս ուղղությամբ կարևոր իրադարձություն էր Աջայանի և Իիջիմայի ցուցադրությունը, որ նանոխողովակները կարող են լցվել հալած կապարով և այդպիսով օգտագործվել որպես «նանոլարերի» ձևանմուշներ: Հետագայում նանոխողովակների բացման և լցման ավելի վերահսկվող մեթոդներ են մշակվել, որոնք թույլ են տալիս նյութերի լայն տեսականի, ներառյալ կենսաբանականները, տեղադրել ներսում: Նանոխողովակների բացման և լցման արդյունքը կարող է լինել զարմանալի հատկություններ, որոնք կարող են կիրառվել կատալիզի կամ կենսաբանական տվիչների մեջ: Լցված ածխածնային նանոմասնիկները կարող են նաև կարևոր կիրառություն ունենալ այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են մագնիսական ձայնագրությունը և միջուկային բժշկությունը:

Թերևս ամենամեծ ծավալը նանոխողովակների ուսումնասիրության համար պետք է հատկացվի դրանց էլեկտրոնային հատկություններին: Տեսական աշխատանքը, որը նախորդել է Iijima-ի հայտնաբերմանը, արդեն նշվել է վերևում: Iijima-ի 1991 թվականի Nature նամակից անմիջապես հետո երկու այլ փաստաթուղթ հայտնվեց ածխածնային նանոխողովակների էլեկտրոնային հատկությունների վերաբերյալ: MIT-ի գիտնականների թիմը և Նորիակի Համադան և գործընկերները Ցուկուբայում Iijima-ի լաբորատորիայում կատարել են ժապավենի կառուցվածքի հաշվարկներ՝ օգտագործելով ամուր կապող մոդել և ցույց տվել, որ էլեկտրոնային հատկությունները կախված են ինչպես խողովակի կառուցվածքից, այնպես էլ դրա տրամագծից: Այս ուշագրավ կանխատեսումները մեծ հետաքրքրություն առաջացրեցին, սակայն փորձնականորեն նանոխողովակների էլեկտրոնային հատկությունները որոշելու փորձը մեծ դժվարությունների հանդիպեց։ Բայց միայն 1996 թվականին փորձնական չափումներ կատարվեցին առանձին նանոխողովակների վրա, որոնք կարող էին հաստատել տեսական կանխատեսումները: Այս արդյունքները ցույց տվեցին, որ նանոխողովակները կարող են դառնալ ապագա նանոէլեկտրոնային սարքերի բաղադրիչները:

Ածխածնային նանոխողովակների մեխանիկական հատկությունների որոշումը ահռելի դժվարություններ առաջացրեց, սակայն փորձարարները ևս մեկ անգամ դիմեցին մարտահրավերին: Հաղորդման էլեկտրոնային մանրադիտակը և ատոմային ուժի չափումները ցույց են տվել, որ ածխածնային նանոխողովակների մեխանիկական բնութագրերը կարող են նույնքան բացառիկ լինել, որքան դրանց էլեկտրոնային հատկությունները: Արդյունքում, աճել է հետաքրքրությունը կոմպոզիտային նյութերում նանոխողովակների օգտագործման նկատմամբ:

Այժմ նանոխողովակների մի շարք այլ հնարավոր կիրառություններ նրանց հետաքրքրում են: Օրինակ, մի շարք գիտնականներ ուսումնասիրում են նանոխողովակների օգտագործման խնդիրը՝ որպես սկանավորման մանրադիտակի խորհուրդներ: Իրենց երկարավուն ձևով, սրածայր գագաթներով և բարձր կոշտությամբ նանոխողովակները պետք է իդեալական լինեին այս նպատակի համար, և այս ոլորտում նախնական փորձերը ցույց տվեցին չափազանց տպավորիչ արդյունքներ: Ցույց է տրվել նաև, որ նանոխողովակները ունեն օգտակար հատկություններդաշտային արտանետումներ, որոնք կարող են հանգեցնել դրանց օգտագործման հարթ վահանակի էկրաններում: Ամբողջ աշխարհում նանոխողովակների հետազոտությունն աճում է աստղաբաշխական արագությամբ, և դրանց առևտրային կիրառությունները, անշուշտ, երկար սպասել չեն տա:

Մատենագիտություն

1. P. Harris, Carbon nanotubes and related structures. XXI դարի նոր նյութեր - Մ.: տեխնոսֆերա, 2003 թ.

Հյուրընկալվել է Allbest.ru կայքում

Նմանատիպ փաստաթղթեր

Գրաֆիտի կառուցվածքը, որը որոշում է նրա էլեկտրական հատկությունները: Միաշերտ և բազմաշերտ ածխածնային նանոխողովակներ: Գրաֆիտի շերտի հետ բրոմի կապի էներգիան: Փորձարարական տեխնիկա և տեղադրման բնութագրեր: Բրոմինացման գործընթացի ֆենոմենոլոգիական նկարագրությունը.

կուրսային աշխատանք, ավելացվել է 17.09.2011թ


Ածխածնային նանոկառուցվածքների դասակարգում. Ֆուլերենների ձևավորման մոդելներ. Գրաֆիտի բեկորներից ֆուլերենների հավաքում: Հեղուկ կլաստերային բյուրեղացման միջոցով ածխածնի նանոմասնիկների առաջացման մեխանիզմը. Ածխածնային նանոխողովակների արտադրության մեթոդները, կառուցվածքը և հատկությունները.

կուրսային աշխատանք, ավելացվել է 25.09.2009թ


Սորբման գործընթացները սորբատի և սորբենտի փուլերի միջերեսում: Ծակոտկեն ածխածնային նյութերի ստացման մեթոդներ. Կեղտաջրերի մաքրման ադսորբցիոն մեթոդներ. Օրգանական նյութերի խառնուրդների բաղադրիչների փոխազդեցության հիմնական ռեակցիաները համատերմոլիզացման գործընթացներում.

թեզ, ավելացվել է 21.06.2015թ


Եռակցման խողովակաշարերի հիմնական հասկացությունները և մեթոդները. Գազատարի համար պողպատի ընտրություն. Եռակցման համար խողովակների եզրերի պատրաստում. Եռակցման նյութի ընտրություն. խողովակների հավաքման պահանջները. Եռակցողների որակավորման թեստեր. Ձեռքով աղեղային եռակցման տեխնոլոգիա և տեխնիկա.

թեզ, ավելացվել է 25.01.2015թ


DC շարժիչի պտտման արագության կայունացման համակարգը որպես ավտոմատ կառավարման տեսության մեթոդների օգտագործման օրինակ: Պողպատաձուլական աղեղային վառարանի հոսանքի կայունացման համակարգ, առանց կենտրոնական հղկման գործընթացի կտրող հզորությունը:

կուրսային աշխատանք, ավելացվել է 18.01.2013թ


Եռակցման արտադրության տեխնոլոգիա. Եռակցման արտադրության զարգացման պատմությունը. Արգոն-աղեղային եռակցման առանձնահատկությունները և դրա շրջանակը. Արգոն-աղեղային եռակցման կիրառությունը, առավելություններն ու թերությունները. Այս տեսակի եռակցման սարքավորումների համեմատական ​​բնութագրերը.

վերացական, ավելացվել է 18.05.2012թ


Պողպատի կազմը և հատկությունները. Տեղեկատվություն դրա եռակցման մասին: Արտադրության տեխնոլոգիա եռակցված համատեղերկու թերթերի համընկնումը ձեռքով աղեղային եռակցման և սպառվող էլեկտրոդի միջոցով պաշտպանիչ գազերում: Ընտրություն եռակցման ծախսվող նյութերև եռակցման աղեղի էներգիայի աղբյուրները:

կուրսային աշխատանք, ավելացվել է 28.05.2015թ


Օգտագործված նյութերի եռակցման որոշում, լցանյութերի և սարքավորումների ընտրություն: Եռակցման միավոր վերին ստորին և վերին կեղևի համար: Ձեռքով աղեղային եռակցման ռեժիմի հաշվարկ: Քարտեզ տեխնոլոգիական գործընթացԵռակցման միավոր A Ar-C17 ըստ ԳՕՍՏ 14771-76:

կուրսային աշխատանք, ավելացվել է 20.02.2013թ


Ընդհանուր տեղեկությունկոմպոզիտային նյութերի մասին. Հատկություններ կոմպոզիտային նյութերսիբունիտի տեսակը. Մի շարք ծակոտկեն ածխածնային նյութեր: Պաշտպանիչ և ռադիոկլանող նյութեր: Ֆոսֆատ-կալցիումի կերամիկան ոսկրային հյուսվածքի վերականգնման կենսապոլիմեր է:

վերացական, ավելացվել է 13.05.2011թ


Պլաստիկ խողովակների տեսակներն ու բնութագրերը, դրանց միացման մեթոդի ընտրության հիմնավորումը, դոկավորման սկզբունքները: Պլաստմասսաների հետույքային եռակցման ընդհանուր կանոններ և պոլիպրոպիլենային խողովակներ. Socket եռակցման տեխնոլոգիա. Պոլիպրոպիլենային խողովակների տեղադրման սկզբունքներն ու փուլերը.

Գյուտը վերաբերում է տիտանի և դրա միացությունների բարձր պարունակությամբ մակերևութային և ստորերկրյա ջրերի սորբցիոն մաքրման ոլորտին և կարող է օգտագործվել ջրի մաքրման համար՝ առողջության համար անվտանգ խմելու ջուր ստանալու համար: Մակերեւութային և ստորերկրյա ջրերը տիտանից և դրա միացություններից մաքրելու մեթոդը ներառում է աղտոտված ջրերը ներծծող նյութի հետ շփման մեջ, որտեղ որպես ներծծող օգտագործվում են ածխածնային նանոխողովակներ, որոնք տեղադրվում են ուլտրաձայնային լոգարանում և գործում են ածխածնային նանոխողովակների և մաքրված ջրի վրա՝ ռեժիմով։ 1-15 րոպե, ուլտրաձայնային հաճախականությամբ 42 կՀց և 50 վտ հզորությամբ: Տեխնիկական արդյունքը բաղկացած է ջրի 100% մաքրումից տիտանի և դրա միացություններից՝ ածխածնային նանոխողովակների կլանման շատ բարձր արագության շնորհիվ: 4 հիվանդ, 2 սեղան, 4 պր.

Գծագրեր ՌԴ արտոնագրի 2575029

Գյուտը վերաբերում է տիտանի և դրա միացությունների բարձր պարունակությամբ մակերևութային և ստորերկրյա ջրերի սորբցիոն մշակման ոլորտին և կարող է օգտագործվել տիտանից և նրա միացություններից ջուրը մաքրելու համար՝ խմելու անվտանգ ջուր ստանալու համար:

Իոններից ջրի մաքրման հայտնի մեթոդ ծանր մետաղներ, ըստ որի, մաքրման համար որպես ներծծող օգտագործվում է կալցինացված ակտիվացված բնական կլանիչ, որը Թաթարստանի հանքավայրերի խառը հանքային բաղադրության սիլիցիային ապար է, որը պարունակում է wt.%՝ օպալկրիստոբոլիտ 51-70, ցեոլիտ 9-25, կավ։ բաղադրիչ - mont morillonite, hydromica 7-15, calcite 10-25, եւ այլն: [ՌԴ արտոնագիր 2150997, IPC B01G 20/16, B01G 20/26, հրապարակ. 20.06.2000]: Հայտնի մեթոդի թերությունը նյութը ակտիվացնելու համար աղաթթվի օգտագործումն է, որը պահանջում է սարքավորում, որը դիմացկուն է ագրեսիվ միջավայրերին: Բացի այդ, մեթոդում օգտագործվում է բարդ հանքային բաղադրությամբ բավականին հազվագյուտ ապար, և չկան տվյալներ տիտանի և նրա միացությունների պարունակության մասին:

Շունգիտի վրա հիմնված հատիկավոր կլանիչ ստանալու հայտնի մեթոդ [Ed.St. ԽՍՀՄ No 822881, IPC B01G 20/16, հրատ. 23.04.1981]:

Այս մեթոդի թերությունը հազվագյուտ հանքային շունգիտի օգտագործումն է, որը նախապես ձևափոխված է ամոնիումի նիտրատով, կալցինացիայի միջոցով: բարձր ջերմաստիճանի, որը պահանջում է համապատասխան սարքավորումներ և էներգիայի սպառում, ինչպես նաև վերամշակում ագրեսիվ միջավայրում։ Տիտանից ջրի մաքրման արդյունավետության վերաբերյալ տվյալներ չկան։

Հայտնի մեթոդ, որը վերցված է որպես անալոգ, բնական ալյումինոսիլիկատների, մասնավորապես՝ ցեոլիտի հիման վրա օրգանական սորբենտներ ստանալու միջոցով, նախապես ջերմային մշակված ալյումինոսիլիկատը պոլիսախարիդներով, մասնավորապես խիտոզանով փոփոխելով [ՌԴ արտոնագիր No. 2184607, IPC C02F 1/56, B01J: 32, B01J 20/26 , B01J 20/12, հրապարակ. 07/10/2002]: Մեթոդը հնարավորություն է տալիս մետաղական իոններից և տարբեր բնույթի օրգանական ներկանյութերից ջրային լուծույթների արդյունավետ մաքրման համար հարմար սորբենտներ ձեռք բերել:

Նկարագրված մեթոդով ձեռք բերված սորբենտների թերությունները նրանց ցրվածության բարձր աստիճանն են, ինչը թույլ չի տալիս ջրի մաքրումը հոսանքի միջոցով սորբենտ շերտով (ֆիլտրը արագ խցանվում է), ինչպես նաև խիտոզանի շերտը սորբենտից լվանալու հնարավորությունը: ժամանակը՝ հանքային հիմքի վրա այն ամրացնելու բացակայության և ծանր մետաղների միացություններից, օրինակ՝ տիտանի և դրա միացություններից արդյունավետ մաքրման վերաբերյալ տվյալների բացակայության պատճառով:

Նկարագրված է ջրի մաքրման կայանների ֆիլտրային կայանքների արդյունաբերական ջրերի պարզաբանման և հեռացման մեթոդ [Արտոնագիր գյուտի համար RU No. 2372297, IPC C02F 1/5, C02F 103/04, հրապարակ. նոյեմբերի 10, 2009]։

Գյուտի էությունը կայանում է բարդ կոագուլանտի օգտագործման մեջ, որը սուլֆատի և ալյումինի օքսիքլորիդի ջրային լուծույթների խառնուրդ է՝ ալյումինի օքսիդի համար 2:1 դոզայի հարաբերակցությամբ:

Այս արտոնագիրը ներկայացնում է խմելու ջրի մատակարարման համար ստորերկրյա ջրերի մաքրման օրինակներ:

Նկարագրված մեթոդի թերությունը կեղտից մաքրման ցածր արդյունավետությունն է, նստվածքի 46%-ը մակերևույթ է դուրս եկել, իսկ մնացածը եղել է կասեցման մեջ:

Ջրի մաքրման հայտնի մեթոդ՝ մատակարարման խողովակաշարում կատիոնային ֆլոկուլանտով մշակման միջոցով [RF Patent No. 2125540, IPC C02F 1/00, publ. 27.01.1999]:

Գյուտը վերաբերում է մակերեսային դրենաժներից ջրի մաքրման մեթոդներին և կարող է օգտագործվել կենցաղային խմելու կամ տեխնիկական ջրամատակարարման ոլորտում:

Գյուտի էությունը. բացի ֆլոկուլանտից, խողովակաշար է ներմուծվում հանքային կոագուլանտ՝ ֆլոկուլանտի զանգվածային հարաբերակցությամբ 40:1-ից 1:1:

Մեթոդը ապահովում է կասեցված պինդ նյութերի ագրեգացման արդյունավետության բարձրացում, ինչը հնարավորություն է տալիս նստած ջրի պղտորությունը նվազեցնել 2-3 անգամ։ Այս մեթոդը կիրառելուց հետո անհրաժեշտ է հետագա ամբողջական նստեցում նստեցման տանկերում: Այսպիսով, ըստ նկարագրված մեթոդի՝ մետաղներից 100% մաքրում չի ստացվել, ջրի կարծրությունը 5,7 մկ/լ-ից նվազել է մինչև 3 մկ/լ, պղտորությունը՝ 8,0 մգ/լ։

Անալոգի թերությունը մետաղներից և օրգանական կեղտերից մաքրման ցածր արդյունավետությունն է, տիտանի պարունակությունը հասանելի չէ:

Ածխածնային նանոխողովակների (CNTs) կլանման արդյունավետությունը նկարագրված է որպես ջր-էթանոլ խառնուրդների մաքրման նորարարական տեխնոլոգիայի հիմք [Zaporotskova N.P. և այլք Vestnik VolGU, սերիա 10, հ. 5, 2011, 106 էջ]:

Այս աշխատանքում իրականացվել են միապատի ածխածնային նանոխողովակների արտաքին մակերեսի վրա ծանր ալկոհոլային մոլեկուլների կլանման գործընթացների քվանտ-մեխանիկական ուսումնասիրություններ։

CNT-ների նկարագրված սորբցիոն ակտիվության թերությունը միայն տեսական քվանտային մեխանիկական հաշվարկներն են, իսկ սպիրտների համար իրականացվել են փորձարարական ուսումնասիրություններ։ Մետաղների հեռացման օրինակներ չկան։

Ապացուցված է ածխածնային նանոխողովակների դրական ազդեցությունը ջուր-էթանոլ խառնուրդների մաքրման գործընթացի վրա։

Ներկայումս գիտության և տեխնիկայի բազմաթիվ ոլորտների զարգացման հետ կապված հատուկ հույսեր կապված են ածխածնային նանոխողովակների CNT-ի հետ [Harris P. ածխածնային նանոխողովակներև հարակից կառույցներ։ XXI դարի նոր նյութեր. - Մ.: Տեխնոսֆերա, 2003. - 336 էջ]:

CNT-ների ուշագրավ առանձնահատկությունը կապված է նրանց սորբցիոն յուրահատուկ հատկանիշների հետ [Eletsky A.V. Ածխածնի նանոկառուցվածքների սորբցիոն հատկությունները. - Հաջողություններ ֆիզիկական գիտություններում. - 2004. -Տ. 174, No 11. - S. 1191-1231]:

Նկարագրված է ածխածնային նանոխողովակների վրա հիմնված ֆիլտր՝ ալկոհոլ պարունակող հեղուկները մաքրելու համար [Polikarpova N.P. և այլք Vestnik VolGU, սերիա 10, հ. 6, 2012, 75 էջ]: Փորձեր են իրականացվել սպիրտ պարունակող հեղուկների զտման և փոխանցման մեթոդներով, և սահմանվել է CNT-ների զանգվածային բաժինը, որը տանում է լավագույն արդյունքի:

Կատարված փորձարարական ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ ջուր-էթանոլ խառնուրդի CNT-ներով մշակումն օգնում է նվազեցնել ֆյուզելային յուղերի և այլ նյութերի պարունակությունը: Այս անալոգայի թերությունը մետաղներից ջրի մաքրման վերաբերյալ տվյալների բացակայությունն է:

Մենք ուսումնասիրել ենք Zn(II) կլանումը/դեզորբցիան ​​ակտիվացված ածխածնի և CNT-ների հաջորդական ցիկլերում: Zn(II)-ի կլանումը ակտիվացված ածխածնի կողմից կտրուկ նվազել է մի քանի ցիկլերից հետո, ինչը բացատրվում է ակտիվացված ածխածնի ծակոտիների ներքին մակերեսից մետաղի իոնների ցածր հեռացմամբ։

CNT-ների հիդրոֆոբ բնույթը առաջացնում է նրանց թույլ փոխազդեցությունը ջրի մոլեկուլների հետ՝ պայմաններ ստեղծելով դրա ազատ հոսքի համար։

Noy A., Park H.G., Fornasiero F., Holt J.K., Grigoropoulos C.P. and Bakajin O. Nanofluidics in carbon nanotubes // Nano Today. 2007, հատ. 2, ոչ. 6, pp. 22-29։

CNT-ների կլանման հզորությունը կախված է ներծծվող նյութի մակերեսին ֆունկցիոնալ խմբերի առկայությունից և ադսորբատի հատկություններից:

Այսպիսով, օրինակ, կարբոքսիլային, լակտոնային և ֆենոլային խմբերի առկայությունը մեծացնում է բևեռային նյութերի կլանման ունակությունը:

CNT-ները, որոնց մակերեսին չկան ֆունկցիոնալ խմբեր, բնութագրվում են ոչ բևեռային աղտոտիչների համար կլանման բարձր հզորությամբ:

Մեմբրանի ստեղծման եղանակներից մեկը սիլիցիումի մակերեսի վրա CNT-ներ աճեցնելն է՝ օգտագործելով ածխածին պարունակող գոլորշիներ՝ օգտագործելով նիկելը որպես կատալիզատոր:

CNT-ները մոլեկուլային կառուցվածքներ են, որոնք հիշեցնում են ածխածնի թիթեղներից պատրաստված ծղոտներ՝ 10-9 մ նանոմետրի մասնաբաժնի հաստությամբ, իրականում դա սովորական գրաֆիտի ատոմային շերտ է՝ ոլորված խողովակի մեջ՝ ոլորտում ամենահեռանկարային նյութերից մեկը: նանոտեխնոլոգիայի. CNT-ները կարող են նաև ունենալ ընդլայնված կառուցվածք [WCG կայք http://www.worldcommunitygrid.org/]:

Մեմբրանային տեխնոլոգիա, որը լայնորեն կիրառվում է մեր մոլորակի բնակիչների համար խմելու ջուր ստանալու համար։

Երկու էական թերություն կա՝ էներգիայի սպառումը և թաղանթային աղտոտումը, որը վերացվում է միայն քիմիական մեթոդներով:

Ածխածնային նանոխողովակների կամ գրաֆենի հիման վրա կարող են ստեղծվել արտադրական և հակակեղտոտող թաղանթներ [M. Մաջումդեր և այլք: Nature 438, 44 (2005)]:

Հայցվող գյուտին տեխնիկական էությամբ և ձեռք բերված արդյունքի առումով ամենամոտն է ջրի մաքրման համար սորբենտների ստացման մեթոդը [ՌԴ արտոնագիր 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, հրապարակ. 12/01/2004]: Այս արտոնագիրը վերցված է որպես նախատիպ։ Այս մեթոդը վերաբերում է սորբցիոն ջրի մաքրման ոլորտին, մասնավորապես սորբենտների արտադրությանը և մաքրման մեթոդներին, և կարող է օգտագործվել ծանր մետաղների իոնների և բևեռային օրգանական նյութերի բարձր պարունակությամբ խմելու կամ արդյունաբերական ջրի մաքրման համար: Մեթոդը ներառում է բնական ալյումինոսիլիկատի մշակումը խիտոզանի լուծույթով նոսր քացախաթթվի մեջ ալյումինոսիլիկատի և խիտոզանի լուծույթի հարաբերակցությամբ, հավասար 1:1, pH 8-9-ով:

Աղյուսակում. տրված է 1 Համեմատական ​​բնութագրերգյուտի համաձայն ստացված սորբենտներ, որոնք վերցված են որպես նախատիպ [Արտոնագիր 2277013]: Տրված են օրինակներ ներկանյութերի կլանման և լուծույթներից պղնձի, երկաթի և այլ մետաղների իոնների կլանման համար:

Նախատիպի թերությունը ծանր մետաղների ցածր կլանման հզորությունն է (SOE) մգ/լ պղնձի Cu +2-ի համար (3,4-ից մինչև 5,85), տիտանի և նրա միացությունների կլանման վերաբերյալ տվյալներ չկան։ SOE, մգ/լ Fe +3-ի համար տատանվում է 3,4-ից մինչև 6,9:

Գյուտի նպատակն է մշակել մակերևութային և ստորերկրյա ջրերը տիտանից և դրա միացություններից ածխածնային նանոխողովակների և ուլտրաձայնային ազդեցության միջոցով մաքրելու մեթոդ, որը հնարավորություն կտա ստանալ բարձրորակ խմելու մաքուր ջուր, բարձրացնել մակերևութային և ստորերկրյա ջրերի մաքրման արդյունավետությունը: CNT-ների կլանման բարձր արագության պատճառով:

Խնդիրը լուծվում է մակերևութային և ստորերկրյա ջրերը տիտանից և դրա միացություններից CNT-ի օգնությամբ մաքրելու առաջարկվող մեթոդով, 50 Վտ հզորությամբ ուլտրաձայնային ազդեցության ենթարկելով 42 կՀց հաճախականությամբ 1-15 րոպե:

Մեթոդն իրականացվում է հետևյալ կերպ. Ադսորբենտը միաշերտ ածխածնային նանոխողովակներ է, որոնք ունակ են ակտիվորեն փոխազդել տիտանի ատոմների և նրա կատիոնների հետ (Ti, Ti +2, Ti +4):

98% մաքրության մեկ գրամ CNTs ավելացվում է 99 գ ջրին՝ Ti, Ti +2, Ti +4-ը հեռացնելու համար, այնուհետև ամբողջ պարունակությունը տեղադրվում է UH-3560 ուլտրաձայնային լոգանքի մեջ և 1-15 րոպե ենթարկվում ուլտրաձայնի: 50 վտ հզորությամբ և 42 կՀց ուլտրաձայնային հաճախականությամբ։

Զտումից հետո հետազոտվում են վերլուծության համար վերցված ջրի նմուշները: Ատոմային արտանետումների վերլուծությունը օգտագործվում է ջրի նմուշներում տիտանի և դրա միացությունների պարունակությունը որոշելու համար նախքան CNT-ներով մշակելը և ջրի նմուշները CNT-ներով ուլտրաձայնային լոգարանում մշակելուց հետո:

Առաջարկվող «Մեթոդը մաքրելու մակերևութային և ստորերկրյա ջրերը տիտանից և դրա միացություններից՝ օգտագործելով ածխածնային նանոխողովակներ և ուլտրաձայնային հետազոտություն», հաստատվում է ստորև նկարագրված օրինակներով։

Մեթոդի իրականացումը նշված պայմաններին համապատասխան թույլ է տալիս ստանալ բացարձակապես մաքուր ջուր՝ տիտանի և դրա միացությունների զրոյական պարունակությամբ (Ti, Ti +2, Ti +4):

Տեխնիկական արդյունքը ձեռք է բերվում նրանով, որ CNT-ն աշխատում է որպես մազանոթ՝ ծծելով Ti ատոմները և Ti +2 և Ti +4 տիտանի կատիոնները, որոնց չափերը համադրելի են CNT-ի ներքին տրամագծին։ CNT-ների տրամագիծը տատանվում է 4,8 Å-ից մինչև 19,6Å՝ կախված CNT-ների ստացման պայմաններից:

Փորձնականորեն ապացուցված է, որ CNT խոռոչները ակտիվորեն լցված են տարբեր քիմիական տարրերով։

Կարևոր առանձնահատկությունը, որը տարբերում է CNT-ները այլ հայտնի նյութերից, նանոխողովակի մեջ ներքին խոռոչի առկայությունն է: Ti ատոմը և նրա Ti +2, Ti +4 կատիոնները ներթափանցում են CNT-ի մեջ արտաքին ճնշման ազդեցության տակ կամ մազանոթային ազդեցության հետևանքով և այնտեղ պահպանվում կլանման ուժերի պատճառով [Dyachkov P.N. Ածխածնային նանոխողովակներ՝ կառուցվածք, հատկություններ, կիրառություններ: - Մ.: Բինոմ: Գիտելիքի լաբորատորիա, 2006. - 293 էջ]:

Սա ապահովում է նանոխողովակների կողմից ընտրովի կլանման հնարավորությունը: Բացի այդ, CNT-ների բարձր կոր մակերեսը հնարավորություն է տալիս կլանել դրա մակերեսի վրա բավականին բարդ ատոմներ և մոլեկուլներ, մասնավորապես՝ Ti, Ti +2, Ti +4։

Միևնույն ժամանակ, նանոխողովակների արդյունավետությունը տասնյակ անգամ ավելի բարձր է, քան գրաֆիտի ադսորբենտների ակտիվությունը, որոնք անհամեմատ ամենատարածված մաքրող միջոցներն են: CNT-ները կարող են կլանել կեղտերը ինչպես արտաքին, այնպես էլ ներքին մակերեսի վրա, ինչը հնարավորություն է տալիս իրականացնել ընտրովի կլանումը:

Հետևաբար, CNT-ները կարող են օգտագործվել ծայրահեղ ցածր կոնցենտրացիաների կեղտերից տարբեր հեղուկների վերջնական մաքրման համար:

CNT-ները ունեն CNT նյութի գրավիչ բարձր հատուկ մակերես, որը հասնում է 600 մ2/գ և ավելի արժեքների:

Նման բարձր սպեցիֆիկ մակերեսը, որը մի քանի անգամ ավելի բարձր է, քան լավագույն ժամանակակից սորբենտների հատուկ մակերեսը, բացում է դրանց օգտագործման հնարավորությունը մակերևութային և ստորերկրյա ջրերը ծանր մետաղներից, մասնավորապես Ti, Ti +2, Ti +4 մաքրելու համար:

CNT-ների սինթեզ. CVDomna ածխածնային նանոխողովակների սինթեզի միավորի միջոցով ստացվել է CNT ածխածնային նաննյութ, որն օգտագործվել է մակերևութային և ստորերկրյա ջրերը տիտանից և նրա միացություններից մաքրելու համար։

Փորձարարական ուսումնասիրություններ են իրականացվել՝ ջուրը տիտանից և դրա միացություններից մաքրելու համար։

CNT-ների օպտիմալ քանակությունը որոշելու համար անհրաժեշտ է տիտանի և նրա միացությունների պարունակությունը հասցնել ծայրահեղ ցածր քանակի: Գտնվել է CNT-ների նման կոնցենտրացիան, և հետագա փորձերում օգտագործվել է օպտիմալ կոնցենտրացիան 0,01 գ 1 լիտր վերլուծված ջրի դիմաց:

Ատոմային արտանետումների վերլուծությունը ցույց է տվել ատոմային Ti-ի և նրա կատիոնների (Ti +2, Ti +4) առկայությունը ուսումնասիրված ջրի նմուշներում, որից կարելի է եզրակացնել, որ ածխածնային նանոխողովակների հետ փոխազդում են տիտանի և Ti +2, Ti +4 կատիոնները։ . Ti ատոմի շառավիղը 147 pm է; Տիտանի կատիոնները կարող են կամ ներթափանցվել ածխածնային նանոխողովակի խոռոչի մեջ և ներծծվել ներսից (Նկար 1), կամ ներծծվել դրա արտաքին մակերևույթի վրա՝ նաև ձևավորելով կամուրջ կառուցվածք վեցանկյունների ածխածնի ատոմներով (նկ. 2)՝ ձևավորելով կապված մոլեկուլային կառուցվածքներ։

Ti-ի և նրա կատիոնների ներգրավումը CNT-ի խոռոչում հնարավոր է աստիճանաբար մոտենալով Ti-ին նանոխողովակին իր հիմնական երկայնական առանցքի երկայնքով և տիտանի ատոմների և նրա կատիոնների ներթափանցմամբ նանոխողովակի խոռոչ՝ ներքին մակերեսի վրա դրանց հետագա կլանմամբ։ CNT-ի։ Հայտնի է նաև Ti-ի կլանման մեկ այլ տարբերակ, ըստ որի, տիտանի մեկ ատոմը կարող է կայուն Ti-C կապեր ստեղծել ածխածնի նանոխողովակի արտաքին մասում ածխածնի ատոմների հետ երկու պարզ դեպքերում, երբ Ti-ն գտնվում է բոլորի 1/4-ում և 1/2-ում։ վեցանկյուններ (նկ. 3) .

Այսինքն՝ CNT մակերեսի վրա տիտանի և նրա կատիոնների կլանումը ոչ միայն տեսականորեն ապացուցված փաստ է, այլև փորձարարականորեն ապացուցված է ուսումնասիրություններում։

Հայտարարված սորբենտը միապատի ածխածնային նանոխողովակների կոնգլոմերատ է, որն ունի տիտանի և նրա կատիոնների հետ ակտիվորեն փոխազդելու հատկություն՝ ձևավորելով կայուն կապեր, և կարող է կլանել տիտանի ատոմները և դրա միացությունները CNT-ների ներքին և արտաքին մակերևույթների վրա: երկու Ti-C կապերով կամուրջային կառույցներ, եթե Ti +2 կամ չորս Ti +4-ի համար: Տիտանի և նրա միացություններով աղտոտված ջուրը մաքրելիս օգտագործվում են CNT-ներ, տիտանը ներծծվում է CNT-ների մակերեսների վրա Վան դեր Վալսյան ուժերի պատճառով, այսինքն՝ տիտանը և նրա միացությունները ազատ ատոմներից և Ti +2 և Ti +4 կատիոնները կապվում են: մոլեկուլային միացումում (նկ. 4):

Գյուտի իրականացման հնարավորությունը պատկերված է հետևյալ օրինակներով.

Օրինակ 1. 40 մ խորությամբ հորատանցքից ստորերկրյա ջրերը վերցվել են որակական տարրական բաղադրության բովանդակության հետազոտության, ինչպես նաև տիտանի և նրա միացությունների պարունակության քանակական վերլուծության համար՝ նախքան CNT-ներով մաքրելը և CNT-ների կլանումից հետո, եւ sonication. Ուլտրաձայնի ազդեցության ժամանակը 15 րոպե է: Մաքրումից հետո Ti-ի և նրա միացությունների պարունակությունը 0% է (Աղյուսակ 2):

Օրինակ 2. Ստորերկրյա ջրհորից 2) 41 մ խորությամբ, ի տարբերություն ջրհորի 1-ի), այս ջուրը գտնվում էր Բերեսլավի ջրամբարի (Վոլգոգրադ) ջրհորից 200 մ հեռավորության վրա: Ուլտրաձայնի ազդեցության ժամանակը 15 րոպե է: Ti-ի և նրա միացությունների պարունակությունը մաքրումից հետո 0% ըստ գյուտի (աղյուսակ. 2):

Օրինակ 3. Ջրի ծորակից վերցված ջուրը (Սովետսկի շրջան, Վոլգոգրադ) մաքրվել է CNT-ով և 15 րոպե ուլտրաձայնային ազդեցության միջոցով, 50 Վտ հզորությամբ և 42 կՀց ուլտրաձայնի աշխատանքային հաճախականությամբ (Աղյուսակ 2):

Օրինակ 4. Ամեն ինչ նույնն է, ինչ օրինակ 1-ում, բայց ուլտրաձայնի ազդեցության ժամանակը 1 րոպե է:

Օրինակ 5. Ստորերկրյա ջրերը 1) 40 մ խորությամբ ջրհորից վերցվել են տիտանի և դրա միացությունների պարունակության վերլուծության համար, այնուհետև մաքրվել նախատիպի համաձայն [Արտոնագիր RU 2277013]:

Ուլտրաձայնի ազդեցության ժամանակը 15 րոպե է (փորձ 1, 2, 3, 5): Ուլտրաձայնի ազդեցության ժամանակը 1 րոպե է (փորձ 4):

CNT-ների վրա հիմնված հայցվող մեթոդի առավելությունները ներառում են շատ բարձր աստիճանտիտանի և նրա միացությունների կլանումը. Փորձի արդյունքների համաձայն՝ օպտիմալ պայմաններում ապահովվում է ուսումնասիրված ջրերի 100%-անոց մաքրում տիտանից և նրա միացություններից։

ՊԱՀԱՆՋ

Մակերեւութային և ստորերկրյա ջրերը տիտանից և նրա միացություններից մաքրելու մեթոդ՝ օգտագործելով ածխածնային նանոխողովակներ (CNTs) և ուլտրաձայն, ներառյալ աղտոտված ջրերը ադսորբենտների հետ շփման մեջ՝ ծանր մետաղները թակարդելու համար, բնութագրվում է նրանով, որ ածխածնային նանոխողովակները օգտագործվում են որպես ներծծող, որոնք տեղադրվում են ուլտրաձայնային բաղնիք, որը գործում է CNT-ների և մաքրված ջրի վրա 1-15 րոպե ռեժիմով, 42 կՀց հաճախականությամբ և 50 Վտ հզորությամբ:

Ածխածնային նանոխողովակներ - վաղը նորարարական տեխնոլոգիաներ. Նանոխողովակների արտադրությունն ու ներդրումը կբարելավեն ապրանքների և արտադրանքի որակը՝ զգալիորեն նվազեցնելով դրանց քաշը և մեծացնելով ամրությունը, ինչպես նաև օժտելով դրանք նոր բնութագրերով։

Ածխածնային նանոխողովակները կամ խողովակային նանոկառուցվածքը (նանոխողովակ) լաբորատորիայում արհեստականորեն ստեղծված մեկ կամ բազմապատի խոռոչ գլանաձև կառուցվածքներ են, որոնք ստացվում են ածխածնի ատոմներից և ունեն բացառիկ մեխանիկական, էլեկտրական և ֆիզիկական հատկություններ:

Ածխածնային նանոխողովակները պատրաստված են ածխածնի ատոմներից և ունեն խողովակների կամ բալոնների ձև: Դրանք շատ փոքր են (նանոմաշտաբով), մեկից մի քանի տասնյակ նանոմետր տրամագծով և մինչև մի քանի սանտիմետր երկարությամբ։ Ածխածնային նանոխողովակները կազմված են գրաֆիտից, սակայն ունեն այլ բնութագրեր, որոնք բնորոշ չեն գրաֆիտին։ Նրանք բնության մեջ գոյություն չունեն։ Նրանց ծագումն արհեստական ​​է։ Նանոխողովակների մարմինը սինթետիկ է, որը սկզբից մինչև վերջ ստեղծվել է մարդկանց կողմից անկախ։

Եթե ​​նայեք միլիոն անգամ խոշորացված նանոխողովակին, ապա կարող եք տեսնել երկարաձգված գլան, որը բաղկացած է հավասարակողմ վեցանկյուններից, որոնց գագաթներում ածխածնի ատոմներ կան: Սա խողովակի մեջ գլորված գրաֆիտային հարթություն է: Նանոխողովակի քիրալությունը որոշում է նրա ֆիզիկական բնութագրերն ու հատկությունները:

Միլիոն անգամ մեծացված նանոխողովակը երկարաձգված գլան է, որը բաղկացած է հավասարակողմ վեցանկյուններից, որոնց գագաթներում ածխածնի ատոմներ կան: Սա խողովակի մեջ գլորված գրաֆիտային հարթություն է:

Քիրալությունը մոլեկուլի հատկությունն է՝ տիեզերքում չհամընկնել իր հայելային պատկերի հետ:

Ավելի պարզ, քիրալությունը այն է, երբ դուք, օրինակ, թղթի թերթիկը հավասարաչափ ծալում եք: Եթե ​​թեք, ապա սա արդեն ախիրալություն է։ Նանոտուբուլենները կարող են ունենալ միաշերտ և բազմաշերտ կառուցվածք: Բազմաշերտ կառուցվածքը ոչ այլ ինչ է, քան մեկ-մեկ «հագնված» միաշերտ նանոխողովակներ:

Հայտնաբերման պատմություն

Նանոխողովակների հայտնաբերման ստույգ ամսաթիվը և դրանց հայտնաբերողը հայտնի չէ: Այս թեման բանավեճերի և դատողությունների տեղիք է տալիս, քանի որ այս կառույցների բազմաթիվ զուգահեռ նկարագրություններ կան տարբեր երկրների գիտնականների կողմից։ Հայտնաբերողին հայտնաբերելու հիմնական դժվարությունը կայանում է նրանում, որ նանոխողովակները և նանոմանրաթելերը, ընկնելով գիտնականների տեսադաշտը, երկար ժամանակ չէին գրավում նրանց ուշադրությունը և մանրակրկիտ ուսումնասիրված չէին: Առկա գիտական ​​աշխատանքները ապացուցում են, որ ածխածին պարունակող նյութերից նանոխողովակներ և մանրաթելեր ստեղծելու հնարավորությունը տեսականորեն թույլատրվել է անցյալ դարի երկրորդ կեսին։

Հիմնական պատճառն այն է, որ երկար ժամանակ միկրոն ածխածնի միացությունների լուրջ ուսումնասիրություններ չեն իրականացվել, այն է, որ այդ ժամանակ գիտնականները չունեին հետազոտության համար բավականաչափ հզոր գիտական ​​բազա, մասնավորապես՝ չկար սարքավորումներ, որոնք կարող էին ընդլայնել ուսումնասիրության օբյեկտը: պահանջվող չափը և կիսաթափանցիկ դրանց կառուցվածքը:

Եթե ​​նանոածխածնային միացությունների ուսումնասիրության իրադարձությունները դասավորենք ժամանակագրական կարգով, ապա առաջին վկայությունը գալիս է 1952 թվականին, երբ խորհրդային գիտնականներ Ռադուշկևիչը և Լուկյանովիչը ուշադրություն հրավիրեցին ածխածնի երկօքսիդի ջերմային տարրալուծման ժամանակ ձևավորված նանոմանելային կառուցվածքի վրա (ռուսերեն անվանումը օքսիդ է): ): Էլեկտրոնային մանրադիտակի սարքավորման միջոցով դիտարկված կառուցվածքն ուներ մոտ 100 նմ տրամագծով մանրաթելեր: Ցավոք, ամեն ինչ ավելի հեռուն չգնաց, քան անսովոր նանոկառուցվածքի ամրագրումը, և հետագա հետազոտություններ չհետևեցին:

25 տարվա մոռացությունից հետո, սկսած 1974 թվականից, թերթերը սկսում են հայտնվել ածխածնից պատրաստված միկրոն խողովակային կառույցների գոյության մասին։ Այսպիսով, մի խումբ ճապոնացի գիտնականներ (Տ. Կոյամա, Մ. Էնդո, Ա. Օբերլին) հետազոտությունների ընթացքում 1974-1975 թթ. լայն հանրությանը ներկայացրեցին իրենց մի շարք ուսումնասիրությունների արդյունքները, որոնք պարունակում էին 100 Ա-ից պակաս տրամագծով բարակ խողովակների նկարագրություն, որոնք ստացվել էին խտացման ժամանակ գոլորշիներից։ Նաև ածխածնի հատկությունների ուսումնասիրության արդյունքում ստացված կառուցվածքի և ձևավորման մեխանիզմի նկարագրությամբ խոռոչ կառուցվածքների ձևավորումը նկարագրվել է 1977 թվականին ԽՍՀՄ ԳԱ Սիբիրյան մասնաճյուղի կատալիզացիայի ինստիտուտի խորհրդային գիտնականների կողմից:

Å (Agström) - հեռավորությունների չափման միավոր, հավասար է 10−10 մ. SI համակարգում անգստրոմին մոտ արժեքով միավորը նանոմետր է (1 նմ = 10 Å):

Ֆուլերենները սնամեջ, գնդաձև մոլեկուլներ են, որոնք նման են գնդակի կամ ռեգբիի գնդակի:

Ֆուլերենները ածխածնի չորրորդ, նախկինում անհայտ մոդիֆիկացիան է, որը հայտնաբերել է անգլիացի քիմիկոս և աստղաֆիզիկոս Հարոլդ Կրոտոն:

Եվ միայն իրենց գիտական ​​հետազոտություններում նորագույն սարքավորումներն օգտագործելուց հետո, որոնք թույլ են տալիս մանրակրկիտ ուսումնասիրել և փայլել նանոխողովակների ածխածնային կառուցվածքը, ճապոնացի գիտնական Սումիո Իիջիման 1991 թվականին կատարեց առաջին լուրջ հետազոտությունը, որի արդյունքում ածխածնային նանոխողովակները փորձնականորեն ստացվեցին։ ձեռք բերված և մանրամասն ուսումնասիրված..

Իր հետազոտության ընթացքում պրոֆեսոր Իջիման ցրված գրաֆիտը ենթարկեց էլեկտրական աղեղի արտանետման՝ նախատիպ ստանալու համար: Նախատիպը մանրակրկիտ չափվել է։ Դրա չափերը ցույց են տվել, որ թելերի (մարակի) տրամագիծը չի գերազանցում մի քանի նանոմետրը՝ մեկից մի քանի միկրոն երկարությամբ։ Ուսումնասիրելով ածխածնային նանոխողովակի կառուցվածքը՝ գիտնականները պարզել են, որ ուսումնասիրվող օբյեկտը կարող է ունենալ մեկից մինչև մի քանի շերտեր՝ բաղկացած վեցանկյունների վրա հիմնված գրաֆիտային վեցանկյուն ցանցից։ Այս դեպքում նանոխողովակների ծայրերը կառուցվածքով նման են երկու մասի կտրված ֆուլերենի մոլեկուլի կեսին:

Վերոնշյալ ուսումնասիրությունների ժամանակ արդեն կային իրենց ոլորտում այնպիսի հայտնի գիտնականների աշխատանքներ, ինչպիսիք են Ջոնսը, Լ.Ա. Չեռնոզատոնսկի, Մ.Յու. Կոռնիլովը՝ կանխատեսելով ածխածնի այս ալոտրոպ ձևի ձևավորման հնարավորությունը՝ նկարագրելով նրա կառուցվածքը, ֆիզիկական, քիմիական և այլ հատկությունները։

Նանոխողովակի բազմաշերտ կառուցվածքը ոչ այլ ինչ է, քան մի քանի միաշերտ նանոխողովակներ՝ «հագնված» մեկ-մեկ՝ ռուսական բնադրող տիկնիկների սկզբունքով։

Էլեկտրաֆիզիկական հատկություններ

Ածխածնային նանոխողովակների էլեկտրաֆիզիկական հատկությունները գտնվում են ամբողջ աշխարհի գիտական ​​համայնքների կողմից ամենամոտ ուսումնասիրության ներքո: Որոշակի երկրաչափական հարաբերակցությամբ նանոխողովակներ նախագծելով՝ հնարավոր է նրանց տալ հաղորդիչ կամ կիսահաղորդչային հատկություններ։ Օրինակ, ադամանդը և գրաֆիտը երկուսն էլ ածխածին են, բայց մոլեկուլային կառուցվածքի տարբերությունների պատճառով նրանք ունեն տարբեր և որոշ դեպքերում հակառակ հատկություններ: Նման նանոխողովակները կոչվում են մետաղական կամ կիսահաղորդչային։

Նանոխողովակները, որոնք էլեկտրականություն են փոխանցում նույնիսկ բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանում, մետաղական են: Էլեկտրական հոսանքի զրոյական հաղորդունակությունը բացարձակ զրոյում, որը մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ, ցույց է տալիս կիսահաղորդչային նանոկառուցվածքի բնորոշ նշանը:

Հիմնական դասակարգումը բաշխվում է ըստ գրաֆիտի հարթության ծալման մեթոդի։ Ծալման մեթոդը նշվում է երկու թվերով՝ «m» և «n», որոնք սահմանում են գրաֆիտային ցանցի վեկտորների երկայնքով ծալման ուղղությունը։ Նանոխողովակների հատկությունները կախված են գրաֆիտի հարթության ծալման երկրաչափությունից, օրինակ՝ ոլորման անկյունն ուղղակիորեն ազդում է դրանց էլեկտրաֆիզիկական հատկությունների վրա։

Կախված պարամետրերից (n, m) նանոխողովակները կարող են լինել՝ ուղիղ (աչիրալ), ատամնավոր («բազկաթոռ»), զիգզագաձև և պտուտակաձև (քիրալային)։ Էլեկտրական հաղորդունակության հաշվարկման և պլանավորման համար օգտագործվում է պարամետրերի հարաբերակցության բանաձևը՝ (n-m) / 3:

Հաշվարկից ստացված ամբողջ թիվը ցույց է տալիս մետաղական տիպի նանոխողովակի հաղորդունակությունը, իսկ կոտորակային թիվը՝ կիսահաղորդչի տեսակը։ Օրինակ, «աթոռ» տեսակի բոլոր խողովակները մետաղական են։ Մետաղական տիպի ածխածնային նանոխողովակները էլեկտրական հոսանք են վարում բացարձակ զրոյի դեպքում։ Կիսահաղորդչային տիպի նանոխողովակները բացարձակ զրոյի դեպքում ունեն զրոյական հաղորդունակություն, որը մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ։

Մետաղական հաղորդունակություն ունեցող նանոխողովակները կարող են մոտավորապես մեկ քառակուսի սանտիմետրի համար փոխանցել միլիարդ ամպեր: Պղինձը, լինելով լավագույն մետաղական հաղորդիչներից մեկը, այս ցուցանիշներով զիջում է նանոխողովակներին ավելի քան հազար անգամ։ Հաղորդունակության սահմանը գերազանցելու դեպքում տեղի է ունենում ջեռուցում, որն ուղեկցվում է նյութի հալեցմամբ և մոլեկուլային ցանցի քայքայմամբ։ Սա չի լինում նանոտուբուլենների դեպքում՝ հավասար պայմաններում։ Դա պայմանավորված է նրանց շատ բարձր ջերմահաղորդականությամբ, որը երկու անգամ գերազանցում է ադամանդին:

Հզորության առումով նանոտուբուլենը շատ ետևում է թողնում նաև այլ նյութեր: Այն 5–10 անգամ ավելի ամուր է պողպատի ամենաամուր համաձուլվածքներից (Յանգի մոդուլում 1,28–1,8 ՏՊա) և ունի ռետինից 100 հազար անգամ բարձր առաձգականություն։ Եթե ​​համեմատենք առաձգական ուժի ցուցանիշները, ապա դրանք 20-22 անգամ գերազանցում են բարձրորակ պողպատի նման ամրության բնութագրերը:

Ինչպես ստանալ ՄԱԿ

Նանոխողովակները ստացվում են բարձր և ցածր ջերմաստիճանի մեթոդներով։

Բարձր ջերմաստիճանի մեթոդները ներառում են լազերային աբլացիա, արևային տեխնոլոգիա կամ էլեկտրական աղեղի արտանետում: Ցածր ջերմաստիճանի մեթոդը ներառում է քիմիական գոլորշիների նստեցում՝ օգտագործելով ածխաջրածնի կատալիտիկ քայքայումը, գազաֆազային կատալիտիկ աճը ածխածնի մոնօքսիդից, արտադրությունը էլեկտրոլիզով, պոլիմերային ջերմամշակում, տեղական ցածր ջերմաստիճանի պիրոլիզի կամ տեղային կատալիզի միջոցով: Բոլոր մեթոդները դժվար հասկանալի են, բարձր տեխնոլոգիական և շատ ծախսատար: Նանոխողովակների արտադրությունը կարող է իրեն թույլ տալ միայն հզոր գիտական ​​բազա ունեցող խոշոր ձեռնարկությունը։

Պարզեցված՝ աղեղային մեթոդով ածխածնից նանոխողովակներ ստանալու գործընթացը հետևյալն է.

Գազային վիճակում գտնվող պլազման ներարկման ապարատի միջոցով մտցվում է փակ շղթայով մինչև որոշակի ջերմաստիճանի տաքացվող ռեակտոր: Ռեակտորում, վերին և ստորին հատվածներում տեղադրվում են մագնիսական պարույրներ, որոնցից մեկը անոդն է, մյուսը՝ կաթոդը։ Մագնիսական պարույրները մատակարարվում են մշտական ​​էլեկտրական հոսանքով: Ռեակտորում պլազմայի վրա ազդում է էլեկտրական աղեղը, որը նույնպես պտտվում է մագնիսական դաշտով։ Անոդի մակերևույթից բարձր ջերմաստիճանի էլեկտրապլազմային աղեղի ազդեցության տակ, որը բաղկացած է ածխածին պարունակող նյութից (գրաֆիտից), ածխածինը գոլորշիանում է կամ «դուրս է գալիս» և խտանում կաթոդի վրա՝ ածխածնային նանոխողովակների տեսքով։ նստվածք. Որպեսզի ածխածնի ատոմները կարողանան խտանալ կաթոդի վրա, ռեակտորում ջերմաստիճանը իջեցվում է։ Նույնիսկ Կարճ նկարագրությունԱյս տեխնոլոգիան հնարավորություն է տալիս գնահատել նանոտուբուլենների ստացման ողջ բարդությունն ու արժեքը։ Շատ ժամանակ կպահանջվի, մինչև արտադրության և կիրառման գործընթացը հասանելի դառնա ձեռնարկությունների մեծ մասի համար։

Լուսանկարների պատկերասրահ. Ածխածնից նանոխողովակներ ստանալու սխեման և սարքավորում

Միապատի ածխածնային նանոխողովակների սինթեզի տեղադրում էլեկտրական աղեղային մեթոդով Փոքր հզոր գիտական ​​տեղադրում խողովակային նանոկառուցվածք ստանալու համար
Ցածր ջերմաստիճանի արտադրության մեթոդ

Երկար ածխածնային նանոխողովակների արտադրության տեղադրում

Արդյո՞ք դրանք թունավոր են:

Միանշանակ այո։

Ընթացքում լաբորատոր հետազոտությունգիտնականները եկել են այն եզրակացության, որ ածխածնային նանոխողովակները բացասաբար են ազդում կենդանի օրգանիզմների վրա։ Սա իր հերթին հաստատում է նանոխողովակների թունավորությունը, և գիտնականներին ավելի ու ավելի քիչ անհրաժեշտություն է առաջանում կասկածել այս կարևոր հարցում։

Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ ածխածնային նանոխողովակների անմիջական փոխազդեցությունը կենդանի բջիջների հետ հանգեցնում է նրանց մահվան: Հատկապես միապատի նանոխողովակները ունեն ուժեղ հակամանրէային ակտիվություն: Գիտնականների փորձերը սկսեցին իրականացնել բակտերիաների թագավորության (E. coli) E-Coli ընդհանուր մշակույթի վրա: Հետազոտության գործընթացում օգտագործվել են 0,75-ից 1,2 նանոմետր տրամագծով միաշերտ նանոխողովակներ։ Ինչպես ցույց են տվել փորձերը, կենդանի բջջի վրա ածխածնային նանոխողովակների ազդեցության արդյունքում բջջային պատերը (մեմբրանները) մեխանիկորեն վնասվում են։

Այլ մեթոդներով ստացված նանոխողովակները պարունակում են մեծ քանակությամբ մետաղներ և այլ թունավոր կեղտեր։ Շատ գիտնականներ ենթադրում են, որ ածխածնային նանոխողովակների բուն թունավորությունը կախված չէ նրանց մորֆոլոգիայից, այլ ուղղակիորեն կապված է դրանցում պարունակվող կեղտերի հետ (նանոխողովակներ): Այնուամենայնիվ, Յեյլի գիտնականների կողմից նանոխողովակների հետազոտության ոլորտում կատարված աշխատանքը ցույց է տվել բազմաթիվ համայնքների սխալ ներկայացում: Այսպիսով, հետազոտության ընթացքում Escherichia coli-ի (E-Coli) բակտերիաները մեկ ժամով ենթարկվել են միապատի ածխածնային նանոխողովակների մշակմանը։ Արդյունքում E-Coli-ի մեծ մասը մահացել է: Նանոնյութերի ոլորտում այս ուսումնասիրությունները հաստատել են դրանց թունավորությունը և բացասական ազդեցությունը կենդանի օրգանիզմների վրա։

Գիտնականները եկել են այն եզրակացության, որ միապատի նանոխողովակները ամենավտանգավորն են, դա պայմանավորված է ածխածնային նանոխողովակի երկարության և տրամագծի հարաբերակցությամբ:

Մարդու օրգանիզմի վրա ածխածնային նանոխողովակների ազդեցության վերաբերյալ տարբեր հետազոտությունները գիտնականներին հանգեցրել են այն եզրակացության, որ ազդեցությունը նույնական է, ինչպես ասբեստի մանրաթելերի դեպքում, որոնք մտնում են օրգանիզմ։ Ասբեստի մանրաթելերի բացասական ազդեցության աստիճանը ուղղակիորեն կախված է դրանց չափից. որքան փոքր է, այնքան ուժեղ է բացասական ազդեցությունը: Իսկ ածխածնային նանոխողովակների դեպքում կասկած չկա, որ դրանց բացասական ազդեցությունն օրգանիզմի վրա կա։ Օդով ներթափանցելով օրգանիզմ՝ նանոխողովակը նստում է կրծքավանդակի պլեվրայով՝ դրանով իսկ առաջացնելով լուրջ բարդություններ, մասնավորապես՝ քաղցկեղային ուռուցքներ։ Եթե ​​նանոտոբուլենների ներթափանցումն օրգանիզմ տեղի է ունենում սննդի միջոցով, դրանք նստում են ստամոքսի ու աղիների պատերին՝ առաջացնելով տարբեր հիվանդություններ ու բարդություններ։

Ներկայումս գիտնականները հետազոտություններ են անցկացնում նանոնյութերի կենսաբանական համատեղելիության և ածխածնային նանոխողովակների անվտանգ արտադրության նոր տեխնոլոգիաների որոնումների վերաբերյալ։

հեռանկարները

Ածխածնային նանոխողովակները զբաղեցնում են կիրառությունների լայն շրջանակ։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ նրանք ունեն մոլեկուլային կառուցվածք՝ շրջանակի տեսքով, այդպիսով թույլ տալով նրանց ունենալ ադամանդի կամ գրաֆիտի հատկություններից տարբերվող հատկություններ: Հենց իրենց տարբերակիչ հատկանիշների (ուժ, հաղորդունակություն, ճկման) պատճառով է, որ ածխածնային նանոխողովակներն ավելի հաճախ են օգտագործվում, քան մյուս նյութերը։

Ածխածնի այս գյուտը օգտագործվում է էլեկտրոնիկայի, օպտիկայի, մեքենաշինության մեջ և այլն: Ածխածնային նանոխողովակները օգտագործվում են որպես հավելումներ տարբեր պոլիմերների և կոմպոզիտների համար՝ մոլեկուլային միացությունների ամրությունը բարձրացնելու համար: Ի վերջո, բոլորը գիտեն, որ ածխածնի միացությունների մոլեկուլային ցանցն ունի անհավատալի ուժ, հատկապես իր մաքուր տեսքով:

Ածխածնային նանոխողովակները օգտագործվում են նաև կոնդենսատորների և տարբեր տեսակի սենսորների, անոդների արտադրության մեջ, որոնք անհրաժեշտ են մարտկոցների արտադրության համար՝ որպես էլեկտրամագնիսական ալիքների կլանիչ։ Այս ածխածնային միացությունը լայն կիրառություն է գտել հեռահաղորդակցության ցանցերի և հեղուկ բյուրեղային դիսփլեյների արտադրության ոլորտում: Նանոխողովակները նաև օգտագործվում են որպես կատալիտիկ հատկությունների ուժեղացուցիչ լուսավորող սարքերի արտադրության մեջ։

Առևտրային հավելված

Շուկա	Դիմում	Ածխածնային նանոխողովակների վրա հիմնված կոմպոզիցիաների հատկությունները
Ավտոմեքենաներ	Վառելիքի համակարգի մասեր և վառելիքի գծեր (միակցիչներ, պոմպերի մասեր, օ-օղակներ, խողովակներ), մարմնի արտաքին մասեր էլեկտրական ներկման համար (բամպեր, հայելիների պատյաններ, վառելիքի տանկի կափարիչներ)	Հատկությունների բարելավված հավասարակշռությունը ածխածնի հետ համեմատած, մեծ մասերի վերամշակելիություն, դեֆորմացման դիմադրություն
Էլեկտրոնիկա	Տեխնոլոգիական գործիքներ և սարքավորումներ, վաֆլի ձայներիզներ, կոնվեյերներ, հետնամասեր, մաքուր սենյակի սարքավորումներ	Խառնուրդների բարելավված մաքրությունը՝ համեմատած ածխածնային մանրաթելերի հետ, մակերևույթի դիմադրողականության վերահսկում, բարակ մասերի ձուլման համար աշխատունակություն, դեֆորմացման դիմադրություն, հատկությունների հավասարակշռություն, պլաստիկ խառնուրդների այլընտրանքային հնարավորություններ՝ համեմատած ածխածնային մանրաթելերի հետ։

Ածխածնային նանոխողովակները սահմանափակված չեն օգտագործման որոշակի շրջանակով տարբեր արդյունաբերություններԱրդյունաբերություն. Նյութը հայտնագործվել է համեմատաբար վերջերս, և այս առումով այն ներկայումս լայնորեն օգտագործվում է աշխարհի շատ երկրներում գիտական ​​մշակման և հետազոտության մեջ: Սա անհրաժեշտ է ածխածնային նանոխողովակների հատկությունների և բնութագրերի ավելի մանրամասն ուսումնասիրության, ինչպես նաև նյութի լայնածավալ արտադրության հաստատման համար, քանի որ այն ներկայումս բավականին թույլ դիրք է զբաղեցնում շուկայում:

Ածխածնային նանոխողովակները օգտագործվում են միկրոպրոցեսորների սառեցման համար:

Իրենց լավ հաղորդիչ հատկությունների շնորհիվ ածխածնային նանոխողովակների օգտագործումը մեքենաշինության մեջ լայն շրջանակ է զբաղեցնում: Այս նյութը օգտագործվում է որպես զանգվածային չափսերով ագրեգատների սառեցման սարքեր: Սա առաջին հերթին պայմանավորված է նրանով, որ ածխածնային նանոխողովակները ունեն բարձր հատուկ ջերմային հաղորդունակություն:

Նանոխողովակների օգտագործումը համակարգչային տեխնոլոգիաների զարգացման մեջ կարևոր դեր է խաղում էլեկտրոնիկայի ոլորտում: Այս նյութի օգտագործման շնորհիվ արտադրություն է ստեղծվել բավականին հարթ դիսփլեյների արտադրության համար: Սա նպաստում է կոմպակտ չափերի համակարգչային սարքավորումների արտադրությանը, բայց միևնույն ժամանակ էլեկտրոնային համակարգիչների տեխնիկական բնութագրերը ոչ թե կորչում են, այլ նույնիսկ ավելանում։ Ածխածնային նանոխողովակների օգտագործումը համակարգչային տեխնոլոգիաների և էլեկտրոնիկայի արդյունաբերության զարգացման մեջ հնարավորություն կտա հասնել այնպիսի սարքավորումների արտադրության, որոնք բազմիցս գերազանցում են. տեխնիկական բնութագրերըներկայիս գործընկերները: Այս ուսումնասիրությունների հիման վրա արդեն ստեղծվում են բարձրավոլտ կինեսկոպներ։

Առաջին ածխածնային նանոխողովակային պրոցեսորը

Օգտագործման խնդիրներ

Նանոխողովակների օգտագործման խնդիրներից է բացասական ազդեցությունը կենդանի օրգանիզմների վրա, ինչը կասկածի տակ է դնում այդ նյութի կիրառումը բժշկության մեջ։ Փորձագետներից ոմանք ենթադրում են, որ ածխածնային նանոխողովակների զանգվածային արտադրության գործընթացում կարող են լինել չգնահատված ռիսկեր։ Այսինքն՝ նանոխողովակների շրջանակի ընդլայնման արդյունքում մեծ մասշտաբով դրանց արտադրության անհրաժեշտություն կառաջանա եւ, համապատասխանաբար, վտանգ կառաջանա շրջակա միջավայրին։

Գիտնականներն առաջարկում են այս խնդրի լուծման ուղիներ փնտրել ածխածնային նանոխողովակների արտադրության էկոլոգիապես մաքուր մեթոդների և մեթոդների կիրառման մեջ։ Առաջարկվել է նաև այս նյութի արտադրողներին լրջորեն մոտենալ CVD գործընթացի հետևանքների «մաքրման» հարցին, որն իր հերթին կարող է ազդել արտադրանքի ինքնարժեքի բարձրացման վրա։

Բջիջների վրա նանոխողովակների բացասական ազդեցության լուսանկարը ա) Escherichia coli-ի բջիջները նախքան նանոտողովակների ազդեցությունը. բ) բջիջները նանոխողովակների ազդեցությունից հետո

Ժամանակակից աշխարհում ածխածնային նանոխողովակները զգալի ներդրում ունեն նորարարական տեխնոլոգիաների զարգացման գործում։ Փորձագետները կանխատեսումներ են տալիս առաջիկա տարիներին նանոխողովակների արտադրության աճի և այդ ապրանքների գների նվազման վերաբերյալ։ Սա, իր հերթին, կընդլայնի նանոխողովակների շրջանակը և կբարձրացնի սպառողների պահանջարկը շուկայում:

RU 2430879 արտոնագրի սեփականատերերը.

Գյուտը վերաբերում է նանոտեխնոլոգիային և կարող է օգտագործվել որպես կոմպոզիտային նյութերի բաղադրիչ: Բազմաշերտ ածխածնային նանոխողովակները ստացվում են ածխաջրածինների պիրոլիզի միջոցով՝ օգտագործելով Fe, Co, Ni, Mo, Mn պարունակող կատալիզատորներ և դրանց համակցությունները որպես ակտիվ բաղադրիչներ, ինչպես նաև Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 որպես կրիչներ: Ստացված նանոխողովակները մաքրվում են աղաթթվի լուծույթում եռացնելով, որին հաջորդում է ջրով լվանալը: Թթվային մշակումից հետո ջեռուցումն իրականացվում է բարձր մաքրության արգոնի հոսքով ջերմաստիճանի գրադիենտ ունեցող վառարանում: Վառարանի աշխատանքային գոտում ջերմաստիճանը 2200-2800°C է։ Վառարանի եզրերին ջերմաստիճանը 900-1000°C է։ ԱԶԴԵՑՈՒԹՅՈՒՆ. Գյուտը հնարավորություն է տալիս ստանալ բազմաշերտ նանոխողովակներ՝ 1 ppm-ից պակաս մետաղական խառնուրդի պարունակությամբ: 3 w.p. f-ly, 9 հիվանդ., 3 էջ.

Գյուտը վերաբերում է բարձր մաքրության բազմաշերտ ածխածնային նանոխողովակների (MWNTs) արտադրությանը՝ 1 ppm-ից պակաս մետաղական խառնուրդի պարունակությամբ, որոնք կարող են օգտագործվել որպես կոմպոզիտային նյութերի բաղադրիչներ տարբեր նպատակների համար:

MWCNTs զանգվածային արտադրության համար օգտագործվում են մեթոդներ, որոնք հիմնված են ածխաջրածինների կամ ածխածնի մոնօքսիդի պիրոլիզի վրա երկաթի ենթախմբի մետաղների վրա հիմնված մետաղական կատալիզատորների առկայության դեպքում [TWEbbesen // Carbon nanotubes: Preparation and properties, CRC Press, 1997, p.139- 161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // Ածխածնային նանոխողովակների նյութերի սինթեզ և բնութագրում (ակնարկ) // Քիմիական տեխնոլոգիաների և մետալուրգիայի համալսարանի ամսագիր, 2006 թ., թիվ 4, հ.41, էջ 377-390 ; J. W. Seo; Ա.Մագրեզ; Մ.Միլաս; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // կատալիտիկորեն աճեցված ածխածնային նանոխողովակներ. սինթեզից մինչև թունավորություն // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v.40, n.6]: Դրա պատճառով դրանց օգնությամբ ստացված MWCNT-ները պարունակում են օգտագործված կատալիզատորների մետաղների կեղտեր: Միևնույն ժամանակ, մի շարք կիրառությունների համար, օրինակ՝ էլեկտրաքիմիական սարքեր ստեղծելու և տարբեր նպատակների համար կոմպոզիտային նյութեր ստանալու համար, պահանջվում են բարձր մաքրության MWCNT-ներ, որոնք չեն պարունակում մետաղական կեղտեր: Բարձր մաքրության MWCNT-ները հիմնականում անհրաժեշտ են բարձր ջերմաստիճանի վերամշակման ենթարկված կոմպոզիտային նյութերի արտադրության համար: Դա պայմանավորված է նրանով, որ անօրգանական ներդիրները կարող են կատալիզատորներ լինել տեղային գրաֆիտացման համար և, որպես հետեւանք, նախաձեռնել ածխածնի կառուցվածքում նոր թերությունների ձևավորում [AS Fialkov // Carbon, միջշերտային միացություններ և դրա վրա հիմնված կոմպոզիտներ, Aspect Press, Մոսկվա , 1997, էջ 588 -602]։ Մետաղական մասնիկների կատալիտիկ գործողության մեխանիզմը հիմնված է մետաղի ատոմների փոխազդեցության վրա ածխածնային մատրիցով մետաղ-ածխածնային մասնիկների ձևավորման հետ, որին հաջորդում է գրաֆիտի նման նոր գոյացությունների թողարկումը, որոնք կարող են ոչնչացնել կոմպոզիտային կառուցվածքը: Հետևաբար, նույնիսկ փոքր մետաղական կեղտերը կարող են հանգեցնել կոմպոզիտային նյութի միատեսակության և մորֆոլոգիայի խախտման:

Կաթալիտիկ ածխածնային նանոխողովակները կեղտից մաքրելու ամենատարածված մեթոդները հիմնված են դրանց բուժման վրա տարբեր կոնցենտրացիաներով թթուների խառնուրդով, երբ տաքացվում են, ինչպես նաև միկրոալիքային ճառագայթման ազդեցության հետ միասին: Այնուամենայնիվ, այս մեթոդների հիմնական թերությունը ուժեղ թթուների ազդեցության հետևանքով ածխածնային նանոխողովակների պատերի ոչնչացումն է, ինչպես նաև դրանց մակերեսին մեծ քանակությամբ թթվածին պարունակող ֆունկցիոնալ խմբերի հայտնվելը, ինչը դժվարացնում է աշխատանքը: ընտրել պայմաններ թթվային բուժման համար: Այս դեպքում ստացված MWCNT-ների մաքրությունը կազմում է 96-98 wt.%, քանի որ կատալիզատորի մետաղական մասնիկները պարփակված են ածխածնային նանոխողովակի ներքին խոռոչում և անհասանելի են ռեակտիվների համար:

MWCNT-ների մաքրության բարձրացումը կարելի է ձեռք բերել 1500°C-ից բարձր ջերմաստիճանում տաքացնելով դրանք՝ պահպանելով ածխածնային նանոխողովակների կառուցվածքն ու մորֆոլոգիան: Այս մեթոդները հնարավորություն են տալիս ոչ միայն մաքրել MWCNT-ները մետաղական կեղտից, այլ նաև նպաստում են ածխածնային նանոխողովակների կառուցվածքի դասավորությանը փոքր թերությունների կռման, Յանգի մոդուլի ավելացման, գրաֆիտի շերտերի միջև հեռավորության նվազման և. մակերեսային թթվածնի հեռացում, որն էլ ավելի է ապահովում ածխածնային նանոխողովակների ավելի միասնական ցրումը պոլիմերային մատրիցայում, որն անհրաժեշտ է ավելի որակյալ կոմպոզիտային նյութեր ստանալու համար։ Մոտ 3000°C ջերմաստիճանում կալցինացումը հանգեցնում է ածխածնային նանոխողովակների կառուցվածքում լրացուցիչ թերությունների առաջացման և արդեն իսկ գոյություն ունեցող թերությունների առաջացման։ Հարկ է նշել, որ նկարագրված մեթոդներով ստացված ածխածնային նանոխողովակների մաքրությունը կազմում է ոչ ավելի, քան 99,9%:

Գյուտը լուծում է ածխաջրածինների կատալիտիկ պիրոլիզի միջոցով ստացված բազմաշերտ ածխածնային նանոխողովակների մաքրման մեթոդի մշակման խնդիրը՝ կատալիզատորի կեղտերի գրեթե ամբողջական հեռացմամբ (մինչև 1 ppm), ինչպես նաև այլ միացությունների կեղտեր, որոնք կարող են հայտնվել MWCNT-ների թթվային մշակման ժամանակ։ , միաժամանակ պահպանելով ածխածնային նանոխողովակների մորֆոլոգիան։

Խնդիրը լուծվում է ածխածնային բազմաշերտ նանոխողովակների մաքրման մեթոդով, որը ստացվում է ածխաջրածինների պիրոլիզի միջոցով՝ օգտագործելով Fe, Co, Ni, Mo, Mn պարունակող կատալիզատորներ և դրանց համակցությունները որպես ակտիվ բաղադրիչներ, ինչպես նաև Al 2 O 3, MgO, CaCO 3: կրիչներ, որն իրականացվում է աղաթթվի լուծույթում եռացնելով հետագա ջրով լվանալով, թթվային մշակումից հետո ջեռուցումն իրականացվում է բարձր մաքրության արգոնի հոսքով ջերմաստիճանի գրադիենտով վառարանում, աշխատանքային գոտում ջերմաստիճանը 2200-2800 ° C, վառարանի եզրերին ջերմաստիճանը 900-1000 ° C է, ինչի արդյունքում ստանում են բազմաշերտ նանոխողովակներ՝ 1 ppm-ից պակաս մետաղական կեղտերի պարունակությամբ:

Ջեռուցումն իրականացվում է բարձր մաքրության գրաֆիտից պատրաստված ամպուլներում։

Արգոնի հոսանքի տաքացման ժամանակը, օրինակ, 15–60 րոպե է:

Օգտագործեք արգոն 99,999% մաքրությամբ:

Մեթոդի զգալի տարբերությունը ջերմաստիճանի գրադիենտով վառարանի օգտագործումն է MWCNT-ների մաքրման համար, որտեղ մետաղական կեղտերը գոլորշիանում են տաք գոտում, իսկ մետաղական մասնիկները խտանում են փոքր գնդիկների տեսքով սառը գոտում: Մետաղական գոլորշիների տեղափոխումն իրականացնելու համար օգտագործվում է բարձր մաքրության արգոնի հոսք (99,999%) գազի հոսքի մոտ 20 լ/ժ արագությամբ։ Մթնոլորտային գազերի ազդեցությունը կանխելու համար վառարանը հագեցած է հատուկ կնիքներով:

Ջրի և օդի թթվածնի նախնական կլանումը MWCNT-ների մակերևույթից և գրաֆիտի ամպուլից, որի մեջ նմուշը տեղադրվում է գրաֆիտային վառարանում, ինչպես նաև դրանք մաքրելը բարձր մաքրության արգոնով, թույլ է տալիս խուսափել գազափոխադրման ռեակցիաներից, որոնք ներառում են ջրածին: և թթվածին պարունակող գազեր, որոնք հանգեցնում են ածխածնի վերաբաշխմանը նրա բարձր ցրված ձևերի և լավ բյուրեղացած գրաֆիտանման ձևերի միջև՝ ցածր մակերևութային էներգիայով (Վ.Լ.Կուզնեցով, Յու. / Carbon 42 (2004) pp.1057-1061; AS Fialkov // Գործընթացներ և ապարատներ փոշու ածխածնային-գրաֆիտային նյութերի արտադրության համար, Aspect Press, Մոսկվա, 2008, էջ 510-514):

Ածխածնային կատալիտիկ բազմաշերտ նանոխողովակներ ստացվում են ածխաջրածինների պիրոլիզի միջոցով՝ օգտագործելով Fe, Co, Ni, Mo և դրանց համակցությունները որպես ակտիվ բաղադրիչներ, ինչպես նաև Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 որպես կրող կատալիզատորներ (T. W. Ebbesen // Carbon nanotubes: Preparation): and properties, CRC Press, 1997, p.139-161 V.Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // ածխածնային նանոխողովակների նյութերի սինթեզ և բնութագրում (ակնարկ) // Քիմիական տեխնոլոգիաների և մետալուրգիայի համալսարանի ամսագիր, 2006 թ. 4, v.41, էջ 377-390; JWSeo; A.Magrez; M.Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Կատալիզիկորեն աճեցված ածխածնային նանոխողովակներ. սինթեզից մինչև թունավորություն / / Physics D ամսագիր (Կիրառական ֆիզիկա), 2007, հ.40, հ.6):

Առաջարկվող մեթոդում, առավել բնորոշ մետաղների կեղտերը հեռացնելու հնարավորությունը ցուցադրելու համար, մաքրում է իրականացվում երկու տեսակի MWCNT-ների համար, որոնք սինթեզված են Fe-Co/Al 2 O 3 և Fe-Co/CaCO 3 կատալիզատորների վրա, որոնք պարունակում են Fe և Co. հարաբերակցությունը 2:1: Այս կատալիզատորների օգտագործման կարևորագույն առանձնահատկություններից է սինթեզված նմուշներում այլ ածխածնային փուլերի բացակայությունը, բացառությամբ MWCNT-ների: Fe-Co/Al 2 O 3 կատալիզատորի առկայության դեպքում MWCNTs ստացվում են միջինը 7-10 նմ արտաքին տրամագծով, իսկ Fe-Co/CaCO 3 կատալիզատորի առկայության դեպքում MWCNTs՝ մեծ միջին արտաքին տրամագծերով: Ստացվում է 22-25 նմ։

Ստացված նմուշները հետազոտվում են փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակով, ռենտգենյան ֆլուորեսցենտով՝ օգտագործելով ARL-Advant"x անալիզատոր՝ ռենտգենյան խողովակի Rh անոդով (չափման ճշգրտությունը ± 10%), և չափվում է նմուշների հատուկ մակերեսը: BET մեթոդով:

Ըստ TEM-ի, բնօրինակ նմուշները բաղկացած են խիստ թերի MWCNT-ներից (Նկար 1, 6): Խողովակների բեկորները ոլորանների տարածքում ունեն հարթ, կլորացված եզրագծեր. խողովակների մակերեսին նկատվում են մեծ թվով ֆուլերենման գոյացություններ։ Նանոխողովակների գրաֆենանման շերտերը բնութագրվում են մեծ թվով թերությունների առկայությամբ (ճեղքեր, Y-անման միացումներ և այլն)։ Խողովակների որոշ հատվածներում առկա է MWCNT-ների տարբեր կողմերում շերտերի քանակի անհամապատասխանություն: Վերջինս վկայում է բաց ընդլայնված գրաֆենի շերտերի առկայության մասին, որոնք հիմնականում տեղայնացված են խողովակների ներսում։ Ջեռուցվող MWCNT-ների էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ բարձր մաքրության արգոնի հոսքում 2200°C ջերմաստիճանում - Նկար 2, 7; 2600°C - Նկ.3, 8; 2800°C - Նկ. 4, 5, 9. Նմուշներում կալցինացումից հետո նկատվում են ավելի հավասարաչափ MWCNTs՝ ներքին և մերձմակերևութային արատների ավելի փոքր քանակով: Խողովակները բաղկացած են հարյուրավոր նանոմետրերի կարգի ուղղագիծ բեկորներից՝ հստակորեն սահմանված ոլորաններով: Կալցինացիայի ջերմաստիճանի բարձրացմամբ, ուղիղ հատվածների չափերը մեծանում են: Խողովակների պատերի տարբեր կողմերից գրաֆենի շերտերի թիվը նույնն է դառնում, ինչը MWCNT կառուցվածքը դարձնում է ավելի կարգավորված։ Խողովակների ներքին մակերեսը նույնպես զգալի փոփոխություններ է կրում՝ մետաղական մասնիկները հանվում են, ներքին միջնորմները դառնում են ավելի կարգավորված։ Ընդ որում, խողովակների ծայրերը փակ են՝ կա խողովակները կազմող գրաֆենի շերտերի փակում։

Նմուշների կալցինը 2800°C-ում հանգեցնում է փոքր քանակությամբ ընդլայնված գլանաձև ածխածնային գոյացությունների՝ բաղկացած գրաֆենի շերտերից, որոնք գտնվում են միմյանց մեջ, որոնք կարող են կապված լինել ածխածնի տեղափոխման հետ կարճ հեռավորությունների վրա՝ գրաֆիտի գոլորշիների ավելացման պատճառով: ճնշում.

Ռենտգենյան սպեկտրային ֆլուորեսցենտով նախնական և տաքացվող MWCNT-ների նմուշների ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ բազմապատ ածխածնային նանոխողովակների նմուշները 2200–2800°C ջերմաստիճանում տաքացնելուց հետո կեղտերի քանակը նվազում է, ինչը հաստատվում է նաև փոխանցման մեթոդով։ էլեկտրոնային մանրադիտակ: MWCNT նմուշների տաքացումը 2800°С-ում ապահովում է նմուշների կեղտերի գրեթե ամբողջական հեռացումը: Այս դեպքում հեռացվում են ոչ միայն կատալիզատորի մետաղների կեղտերը, այլ նաև այլ տարրերի կեղտերը, որոնք մտնում են MWCNTs թթվային մշակման և լվացման փուլերում: Նախնական նմուշներում երկաթի և կոբալտի հարաբերակցությունը մոտավորապես 2:1 է, ինչը համապատասխանում է կատալիզատորների սկզբնական կազմին: Fe-Co/Al 2 O 3 կատալիզատորի նմուշների վրա ձեռք բերված սկզբնական խողովակներում ալյումինի պարունակությունը ցածր է, ինչը կապված է կատալիզատորի լվացման ժամանակ նանոխողովակների թթվով մշակման ժամանակ դրա հեռացման հետ: Ռենտգենյան սպեկտրային ֆլուորեսցենտային մեթոդով կեղտերի պարունակության ուսումնասիրության արդյունքները ներկայացված են աղյուսակ 1-ում և 2-ում:

Հատուկ մակերեսի չափումը BET մեթոդով ցույց է տվել, որ ջերմաստիճանի բարձրացման հետ MWCNT նմուշների հատուկ մակերեսը աննշանորեն փոխվում է, մինչդեռ ածխածնային նանոխողովակների կառուցվածքը և մորֆոլոգիան պահպանվում են: TEM տվյալների համաձայն՝ հատուկ մակերեսի նվազումը կարող է կապված լինել ինչպես MWCNT-ի ծայրերի փակման, այնպես էլ մակերևույթի թերությունների քանակի նվազման հետ: Ջերմաստիճանի բարձրացմամբ կարող է ձևավորվել ընդլայնված գլանաձև կազմավորումների աննշան մասնաբաժինը շերտերի ավելացված քանակով և մոտավորապես 2-3 երկարության և լայնության հարաբերակցությամբ, ինչը նույնպես նպաստում է կոնկրետ մակերեսի նվազմանը: Հատուկ մակերեսի ուսումնասիրության արդյունքները ներկայացված են աղյուսակ 3-ում:

Գյուտի էությունը պատկերված է հետևյալ օրինակներով, աղյուսակներով (աղյուսակներ 1-3) և նկարազարդումներով (նկ.1-9):

MWCNT-ի մի մասը (10 գ), որը ստացվել է էթիլենի պիրոլիզի արդյունքում Fe-Co/Al 2 O 3 կատալիզատորի առկայությամբ 650-750°C ջերմաստիճանում անցնող քվարցային ռեակտորում տեղադրվում է գրաֆիտային ամպուլում 200: մմ բարձրությամբ և 45 մմ արտաքին տրամագծով և փակված կափարիչով (10 մմ տրամագծով) անցքով (1-2 մմ տրամագծով): Գրաֆիտի ամպուլը տեղադրվում է քվարցային ամպուլայի մեջ և օդը դուրս է մղվում վակուումային պոմպի միջոցով մինչև առնվազն 10 -3 Torr ճնշում, որին հաջորդում է մաքրումը բարձր մաքրության արգոնով (մաքրությունը 99,999%), նախ սենյակային ջերմաստիճանում, այնուհետև: 200-230°C ջերմաստիճանում՝ թթվածին պարունակող մակերեսային խմբերն ու ջրի հետքերը հեռացնելու համար։ Նմուշը տաքացվում է 2200°C ջերմաստիճանում 1 ժամվա ընթացքում բարձր մաքրության արգոնի հոսքով (~20 լ/ժ) ջերմաստիճանի գրադիենտ ունեցող վառարանում, որտեղ աշխատանքային գոտում ջերմաստիճանը պահպանվում է 2200°C: , իսկ վառարանի եզրերին ջերմաստիճանը 900-1000° FROM-ից է։ MWCNT-ից տաքացման ժամանակ գոլորշիացող մետաղի ատոմները վառարանի տաք մասից հանվում են սառը մասի մեջ արգոնի հոսքով, որտեղ մետաղը նստում է փոքր գնդիկների տեսքով:

Կալցինացումից հետո ստացված նյութը հետազոտվում է հաղորդիչ էլեկտրոնային մանրադիտակի և ռենտգենյան սպեկտրալ ֆլուորեսցենտային մեթոդով։ Նկար 1-ը ցույց է տալիս սկզբնական MWCNT-ների էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերները, նկար 2 - ջեռուցվում է 2200°C MWCNT-ներում: Օգտագործելով BET մեթոդը, MWCNT նմուշների հատուկ մակերեսը որոշվում է կալցինացումից առաջ և հետո: Ստացված տվյալները ցույց են տալիս կալցինացումից հետո նմուշների հատուկ մակերեսի մի փոքր նվազում, երբ համեմատվում է նախնական MWCNT նմուշի հատուկ մակերեսի հետ:

Օրինակ 1-ի նման, որը տարբերվում է նրանով, որ սկզբնական MWCNT-ների նմուշը տաքացվում է 2600°C ջերմաստիճանում 1 ժամվա ընթացքում բարձր մաքրության արգոնի հոսքով (~20 լ/ժ) ջերմաստիճանի գրադիենտ վառարանում, որտեղ ջերմաստիճանը աշխատանքային է: գոտին պահպանվում է 2600°C, համար Ջեռոցի ծայրերում ջերմաստիճանը 900-1000°C է։ Տաքացվող MWCNT-ների պատկերները, որոնք ստացվել են փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով, ներկայացված են Նկ.3-ում: Բարձր լուծաչափով TEM պատկերները ցույց են տալիս նանոխողովակների փակ ծայրերը:

Օրինակ 1-ի նման, որը տարբերվում է նրանով, որ սկզբնական MWCNT-ների նմուշը տաքացվում է 2800°C ջերմաստիճանում 15 րոպե բարձր մաքրության արգոնի հոսքի մեջ (~ 20 լ/ժ) ջերմաստիճանի գրադիենտ վառարանում, որտեղ աշխատանքային ջերմաստիճանը գոտին պահպանվում է 2800°C, համար Ջեռոցի ծայրերում ջերմաստիճանը 900-1000°C է։ Տաքացվող MWCNT-ների պատկերները, որոնք ստացվել են փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակով, ներկայացված են Նկ.4-ում:

Բոցավառումը 2800°C-ում հանգեցնում է փոքր քանակությամբ ընդլայնված գլանաձև գոյացությունների՝ շերտերի ավելացված քանակով և երկարության և լայնության հարաբերակցությամբ մոտավորապես 2-3: Այս ընդլայնումները տեսանելի են TEM պատկերներում (Նկար 5):

Օրինակ 1-ի նմանությամբ, բնութագրվում է նրանով, որ բնօրինակ MWCNT-ը ստացվել է կատալիզատոր Fe-Co/CaCO3-ի առկայության դեպքում: 2200°C ջերմաստիճանում տաքացված բնօրինակ MWCNT-ների և MWCNT-ների պատկերները, որոնք ստացվել են փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով, ներկայացված են համապատասխանաբար Նկ.6, 7-ում: Բնօրինակ MWCNT-ների TEM պատկերները ցույց են տալիս մետաղական մասնիկներ, որոնք պարփակված են խողովակի ալիքներում (նշված են սլաքներով):

Օրինակ 4-ի նման, բնութագրվում է նրանով, որ սկզբնական MWCNT-ի նմուշը ջեռուցվում է 2600°C-ում: Տաքացվող MWCNT-ների պատկերները, որոնք ստացվել են փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով, ներկայացված են Նկ.8-ում: Բարձր լուծաչափով TEM պատկերները ցույց են տալիս նանոխողովակների փակ ծայրերը:

Օրինակ 4-ի նմանությամբ, որը բնութագրվում է նրանով, որ սկզբնական MWCNT-ի նմուշը ջեռուցվում է 2800°C-ում 15 րոպե: Տաքացվող MWCNT-ների պատկերները, որոնք ստացվել են փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով, ներկայացված են Նկ.9-ում: Պատկերները ցույց են տալիս ընդլայնումների փոքր համամասնության ձևավորումը:

Աղյուսակ 1
Ռենտգենյան սպեկտրալ ֆլուորեսցենտային մեթոդի տվյալներ տաքացումից հետո MWCNT-ներում կեղտերի պարունակության վերաբերյալ, որոնք ստացվել են Fe-Co/Al 2 O 3 կատալիզատորի միջոցով
Տարր
Սկզբնական MWCNT-ներ	MWCNT_2200°C օրինակ 1	MWCNT_2600°C օրինակ 2	MWCNT_2800°C օրինակ 3
Ֆե	0.136	0.008	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Այսպիսով	0.0627	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Ալ	0.0050	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Սա	ոտնահետքեր	0.0028	0.0014	ոտնահետքեր
Նի	0.0004	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Սի	0.0083	0.0076	ոտնահետքեր	Ոչ
Թի	Ոչ	0.0033	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Ս	ոտնահետքեր	Ոչ	Ոչ	Ոչ
Cl	0.111	Ոչ	Ոչ	Ոչ
sn	0.001	0.001	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Բա	Ոչ	Ոչ	Ոչ	Ոչ
Cu	0.001	0.001	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
հետքեր - տարրի պարունակությունը 1 ppm-ից ցածր

աղյուսակ 2
Ռենտգենյան սպեկտրային ֆլուորեսցենտային մեթոդի տվյալները տաքացումից հետո MWCNT-ներում կեղտերի պարունակության վերաբերյալ, որոնք ստացվել են Fe-Co/CaCO 3 կատալիզատորի միջոցով
Տարր	Անմաքրության պարունակության գնահատում, wt.%
Սկզբնական MWCNT-ներ	MWCNT_2200°C օրինակ 4	MWCNT_2600°C օրինակ 5	MWCNT_2800°C օրինակ 6
Ֆե	0.212	0.0011	0.0014	0.001
Այսպիսով	0.0936	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Ալ	0.0048	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Սա	0.0035	0.005	0.0036	ոտնահետքեր
Նի	0.0003	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Սի	0.0080	0.0169	0.0098	ոտնահետքեր
Թի	Ոչ	ոտնահետքեր	0.0021	0.0005
Ս	0.002	Ոչ	Ոչ	Ոչ
Cl	0.078	Ոչ	Ոչ	Ոչ
sn	0.0005	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր
Բա	0.008	Ոչ	Ոչ	Ոչ
Cu	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր	ոտնահետքեր

Աղյուսակ 3
Նախնական և ջեռուցվող MWCNT նմուշների BET հատուկ մակերեսը
MWCNT նմուշ (կատալիզատոր)	S զարկեր, մ2/գ (±2,5%)
MWNT_ref (Fe-Co/Al 2 O 3)	390
MWCNT_2200 (Fe-Co/Al 2 O 3) օրինակ 1	328
MWCNT_2600 (Fe-Co/Al 2 O 3) օրինակ 2	302
MWCNT_2800 (Fe-Co/Al 2 O 3) օրինակ 3	304
MWNT_ref (Fe-Co/СаСО 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co/CaCO 3) օրինակ 4	134
MWCNT_2600 (Fe-Co/CaCO 3) օրինակ 5	140
MWCNT_2800 (Fe-Co/CaCO 3) օրինակ 6	134

Նկարների ենթագրեր.

Նկ.1. Fe-Co/Al 2 O 3 կատալիզատորի վրա սինթեզված նախնական MWCNT նմուշի էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ: Ձախ կողմում ցածր լուծաչափով TEM պատկերն է: Աջ կողմում, ներքևում, բարձր լուծաչափով TEM պատկեր, որը ցույց է տալիս թերի MWCNT պատերը:

Նկ.2. 2200°С ջերմաստիճանում տաքացված MWCNT նմուշի էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ՝ սինթեզված Fe-Co/Al 2 O 3 կատալիզատորի վրա: Ձախ կողմում ցածր լուծաչափով TEM պատկերն է: Ներքևի աջ, բարձր լուծաչափով TEM պատկեր: MWCNT-ների կառուցվածքը դառնում է ավելի քիչ թերի, նանոխողովակների ծայրերը փակվում են:

Նկ.3. 2600°С ջերմաստիճանում տաքացված MWCNT նմուշի էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ՝ սինթեզված Fe-Co/Al 2 O 3 կատալիզատորի վրա: Ձախ կողմում ցածր լուծաչափով TEM պատկերն է: Աջ կողմում, ներքևում պատկերված է բարձր լուծաչափով TEM պատկեր, որը ցույց է տալիս MWCNT-ների փակ ծայրերը: MWCNT-ների պատերը դառնում են ավելի հարթ և ավելի քիչ թերի:

Նկ.4. 2800°С ջերմաստիճանում տաքացված MWCNT նմուշի էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ՝ սինթեզված Fe-Co/Al 2 O 3 կատալիզատորի վրա: Ձախ կողմում ցածր լուծաչափով TEM պատկերն է: Ներքևի աջ, բարձր լուծաչափով TEM պատկեր, որը ցույց է տալիս ավելի քիչ թերի MWCNT պատերը:

Նկ.5. 2800°C ջերմաստիճանում տաքացված MWCNT նմուշի էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ, որոնք սինթեզված են Fe-Co/Al 2 O 3 կատալիզատորի վրա, որոնք ցույց են տալիս MWCNT-ների կառուցվածքում արատների տեսքը, որոնք գլանաձև գոյացություններ են, որոնք բաղկացած են գրաֆենի շերտերից: միմյանց, որոնք ցուցադրվում են վերևի աջ բարձր լուծաչափով TEM պատկերի վրա:

Նկ.6. Fe-Co/CaCO 3 կատալիզատորի վրա սինթեզված նախնական MWCNT նմուշի էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ: Ձախ կողմում ցածր լուծաչափով TEM պատկերն է: Աջ կողմում, ներքևում պատկերված է բարձր լուծաչափով TEM պատկեր, որը ցույց է տալիս MWCNT-ների անհավասար մակերեսը: Աջ կողմում, վերևում, տեսանելի են կատալիզատորի մասնիկները, որոնք պարփակված են ածխածնային նանոխողովակների ալիքների ներսում (նշված են սլաքներով):

Նկ.7. 2200°С ջերմաստիճանում տաքացված MWCNT նմուշի էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ՝ սինթեզված Fe-Co/CaCO 3 կատալիզատորի վրա: Ձախ կողմում ցածր լուծաչափով TEM պատկերն է: Աջ կողմում, ներքևում պատկերված է բարձր լուծաչափով TEM պատկեր, որը ցույց է տալիս MWCNT-ների ավելի հարթ պատերը:

Նկ.8. 2600°С ջերմաստիճանում տաքացված MWCNT նմուշի էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ՝ սինթեզված Fe-Co/CaCO 3 կատալիզատորի վրա: Ձախ կողմում ցածր լուծաչափով TEM պատկերն է: Աջ կողմում, ներքևում պատկերված է բարձր լուծաչափով TEM պատկեր, որը ցույց է տալիս MWCNT-ների փակ ծայրերը: MWCNT-ների պատերը դառնում են ավելի հարթ և ավելի քիչ թերի:

Նկ.9. 2800°С ջերմաստիճանում տաքացված MWCNT նմուշի էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերներ՝ սինթեզված Fe-Co/CaCO 3 կատալիզատորի վրա: Ձախ կողմում ցածր լուծաչափով TEM պատկերն է: Ներքևի աջ, բարձր լուծաչափով TEM պատկեր:

1. Ածխաջրածինների պիրոլիզի միջոցով ստացված բազմաշերտ ածխածնային նանոխողովակների մաքրման մեթոդ՝ օգտագործելով Fe, Co, Ni, Mo, Mn պարունակող կատալիզատորներ և դրանց համակցությունները որպես ակտիվ բաղադրիչներ, ինչպես նաև Al 2 O 3, MgO, CaCO 3՝ որպես կրիչներ. եռում է աղաթթվի լուծույթում՝ հետագա ջրով լվանալով, որը բնութագրվում է նրանով, որ թթվային մշակումից հետո ջեռուցումն իրականացվում է բարձր մաքրության արգոնի հոսքի մեջ՝ ջերմաստիճանի գրադիենտ ունեցող վառարանում, որտեղ աշխատանքային գոտում ջերմաստիճանը 2200- է։ 2800 ° C, վառարանի ծայրերում ջերմաստիճանը 900-1000 ° C է, որի արդյունքում ստացվում են բազմաշերտ նանոխողովակներ՝ 1 ppm-ից պակաս մետաղական կեղտերի պարունակությամբ:

2. Մեթոդը համաձայն 1-ին պահանջի, որը բնութագրվում է նրանով, որ ջեռուցումն իրականացվում է բարձր մաքրության գրաֆիտից պատրաստված ամպուլներում:

Ածխածնային նանոխողովակների մաքրում

CNT-ների ստացման սովորական մեթոդներից ոչ մեկը թույլ չի տալիս դրանք մեկուսացնել իրենց մաքուր տեսքով: ՆՏ-ի կեղտը կարող է լինել ֆուլերեններ, ամորֆ ածխածին, գրաֆիտացված մասնիկներ, կատալիզատորի մասնիկներ:

Գոյություն ունեն CNT մաքրման մեթոդների երեք խումբ.

կործանարար,

ոչ կործանարար,

համակցված.

Քայքայիչ մեթոդները օգտագործում են քիմիական ռեակցիաներ, որոնք կարող են լինել օքսիդատիվ կամ վերականգնողական և հիմնված են տարբեր ածխածնի ռեակտիվության տարբերության վրա: Օքսիդացման համար օգտագործվում են կա՛մ օքսիդացնող նյութերի լուծույթներ, կա՛մ գազային ռեակտիվներ, իսկ վերականգնման համար՝ ջրածինը։ Մեթոդները հնարավորություն են տալիս մեկուսացնել բարձր մաքրության CNT-ները, սակայն կապված են խողովակների կորստի հետ:

Ոչ կործանարար մեթոդները ներառում են արդյունահանումը, ֆլոկուլյացիա և ընտրովի տեղումներ, խաչաձև հոսքի միկրոֆիլտրացիա, բացառող քրոմատոգրաֆիա, էլեկտրոֆորեզ, օրգանական պոլիմերների հետ ընտրողական ռեակցիա: Որպես կանոն, այս մեթոդները անարդյունավետ և անարդյունավետ են:

Ածխածնային նանոխողովակների հատկությունները

Մեխանիկական. Նանոխողովակները, ինչպես ասվեց, չափազանց ամուր նյութ են ինչպես լարման, այնպես էլ ճկման մեջ։ Ավելին, կրիտիկականը գերազանցող մեխանիկական լարումների ազդեցության տակ նանոխողովակները չեն «կոտրվում», այլ վերադասավորվում։ Ելնելով նանոխողովակների այնպիսի հատկությունից, ինչպիսին է բարձր ամրությունը, կարելի է պնդել, որ դրանք ներկայումս լավագույն նյութն են տիեզերական վերելակի մալուխի համար: Ինչպես ցույց են տալիս փորձերի արդյունքները և թվային մոդելավորումՄիաշերտ նանոխողովակի Յանգի մոդուլը հասնում է 1-5 ՏՊա կարգի արժեքների, ինչը մեծության կարգով ավելի մեծ է, քան պողպատից։ Ստորև բերված գրաֆիկը ցույց է տալիս համեմատությունը մեկ պատի նանոխողովակի և բարձր ամրության պողպատի միջև:

1 - Տիեզերական վերելակի մալուխը, ըստ հաշվարկների, պետք է դիմակայել 62,5 ԳՊա մեխանիկական սթրեսին.

2 - Լարվածության դիագրամ (մեխանիկական սթրեսի կախվածությունը y հարաբերական երկարացումից e)

Ցույց տալու էական տարբերությունը առավել դիմացկունների միջև այս պահիննյութեր և ածխածնային նանոխողովակներ, կատարենք հետևյալ մտածողական փորձը. Պատկերացրեք, որ, ինչպես ենթադրվում էր ավելի վաղ, սեպաձև միատարր կառուցվածքը, որը բաղկացած է մինչ օրս ամենադիմացկուն նյութերից, կծառայի որպես մալուխ տիեզերական վերելակի համար, ապա մալուխի տրամագիծը GEO-ում (երկրի գեոստացիոնար ուղեծիր) կլինի մոտ. 2 կմ, իսկ Երկրի մակերևույթի վրա կնվազի մինչև 1 մմ: Այս դեպքում ընդհանուր զանգվածը կկազմի 60 * 1010 տոննա։ Եթե ​​որպես նյութ օգտագործվեին ածխածնային նանոխողովակներ, ապա GEO-ում մալուխի տրամագիծը 0,26 մմ էր, իսկ Երկրի մակերեսին՝ 0,15 մմ, և, հետևաբար, ընդհանուր զանգվածը կազմում էր 9,2 տոննա: Ինչպես երևում է վերը նշված փաստերից, ածխածնային նանոֆիբրը հենց այն նյութն է, որն անհրաժեշտ է մալուխ կառուցելու համար, որի իրական տրամագիծը կկազմի մոտ 0,75 մ, որպեսզի դիմանա նաև տիեզերական վերելակի խցիկը շարժելու համար օգտագործվող էլեկտրամագնիսական համակարգին:

Էլեկտրական. Ածխածնային նանոխողովակների փոքր չափերի պատճառով միայն 1996 թվականին հնարավոր եղավ ուղղակիորեն չափել դրանց էլեկտրական դիմադրողականությունը՝ օգտագործելով չորս ոտքի մեթոդը:

Ոսկու շերտերը դրվել են փայլեցված սիլիցիումի օքսիդի մակերեսի վրա վակուումում: Նրանց միջև 2-3 մկմ երկարությամբ նանոխողովակներ են դրվել: Այնուհետև 80 նմ հաստությամբ չորս վոլֆրամի հաղորդիչներ տեղադրվեցին չափման համար ընտրված նանոտողոցներից մեկի վրա: Վոլֆրամի հաղորդիչներից յուրաքանչյուրը շփվել է ոսկե շերտերից մեկի հետ։ Նանոխողովակի վրա կոնտակտների միջև հեռավորությունը եղել է 0,3-ից մինչև 1 մկմ: Ուղիղ չափման արդյունքները ցույց են տվել, որ նանոխողովակների դիմադրողականությունը կարող է տատանվել լայն տիրույթում՝ 5,1*10 -6-ից մինչև 0,8 օհմ/սմ: Նվազագույն դիմադրողականությունը մեծության կարգով ցածր է, քան գրաֆիտինը: Նանոխողովակների մեծ մասն ունեն մետաղական հաղորդունակություն, մինչդեռ փոքր մասը ցուցադրում է կիսահաղորդչի հատկությունները 0,1-ից մինչև 0,3 էՎ գոտի բացվածքով:

Ֆրանսիացի և ռուս հետազոտողները (IPTM RAS, Chernogolovka-ից) հայտնաբերել են նանոխողովակների մեկ այլ հատկություն, որը գերհաղորդականությունն է։ Նրանք չափել են ~1 նմ տրամագծով առանձին միապատի նանոխողովակի ընթացիկ լարման բնութագրերը, որոնք գլորվել են մեծ թվով միապատի նանոխողովակների, ինչպես նաև առանձին բազմաշերտ նանոխողովակների մեջ: Գերհաղորդիչ հոսանք 4K-ին մոտ ջերմաստիճանում նկատվել է երկու գերհաղորդիչ մետաղական կոնտակտների միջև։ Նանոխողովակում լիցքի փոխանցման առանձնահատկությունները էապես տարբերվում են սովորական, եռաչափ հաղորդիչներին բնորոշից և, ըստ երևույթին, բացատրվում են փոխանցման միաչափ բնույթով:

Նաև Լոզանի համալսարանից (Շվեյցարիա) դե Գիրոմը հայտնաբերեց մի հետաքրքիր հատկություն՝ հաղորդունակության կտրուկ (մոտ երկու կարգի մեծության) փոփոխություն միաշերտ նանոխողովակի փոքր, 5-10o-ով ճկմամբ: Այս հատկությունը կարող է ընդլայնել նանոխողովակների շրջանակը: Մի կողմից՝ նանոխողովակը պարզվում է, որ մեխանիկական թրթռումների պատրաստի խիստ զգայուն փոխարկիչ է էլեկտրական ազդանշանի և հակառակը (իրականում դա մի քանի միկրոն երկարությամբ և մոտ մեկ նանոմետր տրամագծով հեռախոսի ընդունիչ է), և , մյուս կողմից, դա ամենափոքր դեֆորմացիաների գործնականում պատրաստի սենսոր է։ Նման սենսորը կարող է օգտագործվել այն սարքերում, որոնք վերահսկում են մեխանիկական բաղադրիչների և մասերի վիճակը, որոնցից կախված է մարդկանց անվտանգությունը, օրինակ՝ գնացքների և ինքնաթիռների ուղևորները, ատոմային և ջերմային էլեկտրակայանների անձնակազմը և այլն:

Մազանոթ. Փորձերը ցույց են տվել, որ բաց նանոխողովակն ունի մազանոթային հատկություններ։ Նանոխողովակ բացելու համար անհրաժեշտ է հեռացնել վերին մասը՝ գլխարկը։ Հեռացնելու եղանակներից մեկը ածխածնի երկօքսիդի հոսքի մեջ մի քանի ժամ շարունակ 850 0 C ջերմաստիճանում նանոտողովակներ եռացնելն է: Օքսիդացման արդյունքում բոլոր նանոխողովակների մոտ 10%-ը բաց է։ Նանոխողովակների փակ ծայրերը ոչնչացնելու մեկ այլ միջոց է խտացված ազոտական ​​թթվի ազդեցությունը 4,5 ժամ 2400 C ջերմաստիճանում: Այս մշակման արդյունքում նանոխողովակների 80%-ը դառնում է բաց:

Մազանոթային երևույթների առաջին ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ հեղուկը թափանցում է նանո խողովակի միջանցք, եթե նրա մակերևութային լարվածությունը 200 մՆ/մ-ից բարձր չէ։ Հետևաբար, ցանկացած նյութ նանոխողովակներ ներմուծելու համար օգտագործվում են ցածր մակերեսային լարվածություն ունեցող լուծիչներ: Օրինակ՝ խտացված ազոտական ​​թթուն, որի մակերևութային լարվածությունը ցածր է (43 մՆ/մ), օգտագործվում է որոշակի մետաղներ նանոտողովակային ալիք ներմուծելու համար։ Այնուհետև ջրածնային մթնոլորտում 4 ժամ 4000 C ջերմաստիճանում եռացում է կատարվում, ինչը հանգեցնում է մետաղի նվազմանը։ Այս կերպ ստացվել են նիկել, կոբալտ և երկաթ պարունակող նանոխողովակներ։

Մետաղների հետ մեկտեղ ածխածնային նանոխողովակները կարող են լցվել գազային նյութերով, օրինակ՝ մոլեկուլային ջրածնով։ Այս ունակությունը գործնական նշանակություն ունի, քանի որ այն բացում է ջրածնի անվտանգ պահեստավորման հնարավորությունը, որը կարող է օգտագործվել որպես էկոլոգիապես մաքուր վառելիք ներքին այրման շարժիչներում: Նաև գիտնականները կարողացան տեղադրել ֆուլերենների մի ամբողջ շղթա՝ գադոլինիումի ատոմներով, որոնք արդեն ներկառուցված էին դրանց մեջ նանոխողովակի ներսում (տես նկ. 5):

Բրինձ. հինգ. C60-ի ներսում մեկ պատի նանոխողովակի ներսում