Wysyłanie dobrej pracy do bazy wiedzy jest proste. Skorzystaj z poniższego formularza

Studenci, doktoranci, młodzi naukowcy korzystający z bazy wiedzy w swoich studiach i pracy będą Ci bardzo wdzięczni.

Opublikowano na http://www.allbest.ru/

Wstęp

Nanotechnologia - nauka o wytwarzaniu i właściwościach elementów technologii na poziomie atomowym i molekularnym - jest teraz "na ucho" dla każdego. Nanourządzenia i nanomaszyny z takich elementów już przenoszą się ze sfery fantazji do współczesnego życia. A częścią tej nauki jest szybko rozwijająca się gałąź badań nanorurek i fulerenów, która przyciągnęła setki grup badawczych składających się z fizyków, chemików i materiałoznawców.

Problem tworzenia nanostruktur o zadanych właściwościach i kontrolowanych wymiarach jest jednym z krytyczne problemy XXI wiek. Jej rozwiązanie zrewolucjonizuje elektronikę, materiałoznawstwo, mechanikę, chemię, medycynę i biologię.

Nanorurki węglowe (CNT) to wyjątkowe układy makromolekularne. Ich bardzo mała średnica nanometrowa i duża długość mikrona wskazują, że są one najbliższą strukturą idealnym układom jednowymiarowym (ID). Dlatego CNT są idealnymi obiektami do testowania teorii zjawisk kwantowych, w szczególności transportu kwantowego w niskowymiarowych układach ciała stałego. Są stabilne chemicznie i termicznie do co najmniej 2000 K, mają doskonałą przewodność cieplną, wyjątkową wytrzymałość i właściwości mechaniczne.

Prostota budowy nanorurek umożliwia opracowanie modeli teoretycznych ich struktur. Dlatego w przyszłości na CNT czekają nowe nieoczekiwane zastosowania, zwłaszcza w biologii (manipulacja molekułami wewnątrz komórki, sztuczne sieci neuronowe, pamięć nanomechaniczna itp.).

1. Jednościenne nanorurki

1.1 Otwarcie

Na początku 1993 r. kilka grup naukowców stwierdziło, że obce materiały można umieścić w nanocząstkach węgla lub nanorurkach za pomocą zmodyfikowanych elektrod w procesie odparowywania łukowego. Zespół Rodneya Ruoffa z Kalifornii i zespół Yahachi Saito z Japonii uzyskał kapsułkowane kryształy LaC 2 podczas pracy z elektrodami wypełnionymi lantanem, podczas gdy Suppapan Serafin i współpracownicy donieśli, że YC2 można włączyć do nanorurek, gdy używa się elektrod zawierających itr. Prace te otworzyły zupełnie nową dziedzinę opartą na nanocząstkach i nanorurkach jako „pojemnikach molekularnych”, ale pośrednio doprowadziły do ​​zupełnie innego odkrycia o równie ważnych zastosowaniach.

Donald Bethune i jego koledzy z IBM Almaden Research Center w San Luis w Kalifornii bardzo zainteresowali się artykułami Ruoffa i innych. Grupa ta pracowała nad materiałami magnetycznymi do ich zastosowań w przechowywaniu informacji i uważała, że ​​krystality ferromagnetycznego metalu przejściowego zamkniętego w powłokach węglowych mogą mieć wielką wartość w tej dziedzinie. W takich materiałach kapsułkowane cząstki metalu muszą zachowywać swoje momenty magnetyczne i jednocześnie być chemicznie i magnetycznie odizolowane od swoich sąsiadów. Od kilku lat ta grupa IBM pracuje nad „fulerenami echuedralnymi”; fulereny zawierające niewielką liczbę atomów metalu w środku. Ale duże skupiska lub kryształy wewnątrz komórek podobnych do fulerenów mogą mieć największe praktyczne zainteresowanie. Dlatego Bethune postanowiła przeprowadzić kilka eksperymentów z odparowaniem łuku przy użyciu elektrod impregnowanych ferromagnetycznymi metalami przejściowymi żelazem, kobaltem i niklem. Jednak wynik tego eksperymentu nie był taki, jakiego oczekiwano. Przede wszystkim sadza wytwarzana przez naparowywanie łukowe nie przypominała konwencjonalnego materiału wytwarzanego przez naparowywanie łukowe czystego grafitu. Warstwy sadzy zwisały jak pajęczyny ze ścian komory, a osadzony na ścianach materiał miał gumowatą teksturę i można go było zdrapywać w paski. Kiedy Bethune i jego kolega Robert Beyers testowali ten dziwny nowy materiał za pomocą mikroskopii elektronowej wysoka rozdzielczość Byli zdumieni, gdy odkryli, że zawiera wiele nanorurek ze ściankami w jednej warstwie atomowej. Te piękne fajki zostały pomylone z amorficzną sadzą i cząsteczkami metalu lub węglika metalu, które utrzymywały materiał w kształcie pasującym do jego dziwnej tekstury. Praca ta została przyjęta do publikacji w „Nature” i ukazała się w czerwcu 1993 roku. Mikrofotografie z tego artykułu pokazano na rycinie 1.1.

Rysunek 1.1 – Obrazy z Bethune i wsp. Pokazujące jednościenne nanorurki węglowe wytwarzane przez wspólne odparowanie grafitu i kobaltu. Rury mają średnice około 1,2 nm.

Niezależnie od grupy amerykańskiej Sumio Iijima i Toshinari Ichihashi z NEC Laboratories w Japonii również eksperymentowali z odparowywaniem łukowym przy użyciu modyfikowanych elektrod. Ponadto interesował ich efekt zmiany atmosfery wewnątrz komory łukowej. Podobnie jak Bethune i jego koledzy odkryli, że w pewnych warunkach wytwarzany jest bardzo inny rodzaj sadzy, odmienny od tego, który zwykle powstaje w wyniku parowania łukowego. W tym badaniu japońscy naukowcy osadzili żelazo w swoich elektrodach i użyli jako atmosfery mieszaniny metanu i argonu zamiast helu. Po sprawdzeniu za pomocą mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości stwierdzono, że materiał takiego odparowania łukowego zawierał bardzo - niezwykłe nanorurki, rozciągające się jak nitki między skupiskami materiału amorficznego lub cząsteczkami metalu. Nanorurki jednościenne różnią się od tych uzyskanych w procesie ciągłego naparowywania łukowego bardzo wąskim rozkładem średnic. W przypadku rur „konwencjonalnych” średnica wewnętrzna waha się od 1,5 do 15 nm, a średnica zewnętrzna od 2,5 do 30 nm. Z drugiej strony, jednościenne nanorurki mają bardzo podobne średnice. W materiale Bethune'a i jego kolegów nanorurki miały średnice 1,2 (± 0,1) nm, podczas gdy Iijimai Ichihashi stwierdził, że średnice rurek wahają się od 0,7 do 1,6 nm ze środkiem około 1,05 nm. Podobnie jak w przypadku rurek wytwarzanych przez konwencjonalne odparowanie łukowe, wszystkie jednościenne nanorurki były zakryte i nie było dowodów na obecność cząstek katalizatora metalicznego na końcach tych rur. Niemniej jednak uważa się, że wzrost jednościennych nanorurek jest zasadniczo katalityczny.

1.2 Dalsze prace nad nanorurek jednościennych

Podążając za oryginałem podstawowe badania Donald Bethune i jego koledzy z IBM w San Jose nawiązali współpracę z naukowcami z California Institute of Technology, Virginia Polytechnic Institute i Virginia State University, aby przeprowadzić serię badań nad przygotowaniem jednościennych nanorurek przy użyciu masy „katalizatorów”. W jednej z pierwszych serii wykazali, że dodanie siarki i kobaltu do anody (albo w postaci czystego S lub CoS) doprowadziło do pojawienia się nanorurek o szerszym zakresie średnic niż w przypadku przygotowania z samym kobaltem. W ten sposób uzyskano jednościenne nanorurki o średnicach od 1 do 6 nm w przypadku wykrycia siarki w katodzie, w porównaniu z 1–2 nm w przypadku czystego kobaltu. Następnie wykazano, że bizmut i ołów mogą w podobny sposób przyczyniać się do powstawania rur o dużej średnicy.

W 1997 roku francuski zespół wykazał, że wysoką wydajność nanorurek można osiągnąć nawet przy odparowaniu łuku. Ich metoda była podobna do oryginalnej techniki Bethune'a i jego współpracowników, ale zastosowali nieco inną geometrię reaktora. Ponadto jako katalizator zastosowano mieszaninę niklu i itru, a nie kobalt preferowany przez grupę Bethune. Stwierdzono, że najwięcej nanorurek utworzyło się w „kołnierzu” wokół osadu katodowego, co stanowiło około 20% całkowitej masy odparowanego materiału. Całą wydajność rur oszacowano na 70-90%. Badanie materiału kołnierza za pomocą wysokorozdzielczej mikroskopii elektronowej wykazało obecność wielu wiązek z rurek o średnicy około 1,4 nm. Ta moc wyjściowa i wygląd otrzymanych lamp są podobne do próbek „wiązek” z grupy Smalley, wykorzystujących naparowywanie laserowe.

Pod koniec 1993 roku Shekhar Subramoney z Dupont w Wilmington, Delaware, we współpracy z naukowcami z SPI International, opisał produkcję jednościennych nanorurek w inny sposób. Naukowcy ci zastosowali odparowanie łukowe za pomocą elektrod wypełnionych gadolinem do zbierania sadzy ze ścian reaktora. Wraz z dużą ilością węgla amorficznego, sadza zawierała struktury „ jeżowiec"w którym znajdowały się jednościenne nanorurki narastające na stosunkowo dużych cząstkach węglika gadolinu (o typowych wymiarach kilkudziesięciu nanometrów). Rury takie były krótsze od uzyskiwanych z metali z grupy żelaza, ale miały ten sam zakres średnic. Kolejne badania wykazały, że promieniste jednościenne nanorurki mogły powstać na wielu innych metalach, w tym na lantanie i itrze. Rysunek 1.2, zaczerpnięty z pracy Saito i współpracowników, pokazuje typowy obraz jednościennych nanorurek wyrastających promieniście z cząstki zawierającej lantan. -metale z grupy metali, pierwiastki ziem rzadkich nie są znane z tego, że katalizują wytwarzanie wielowarstwowych nanorurek, więc powstawanie na nich rurek jest dość zaskakujące. Fakt, że rurki rosną na stosunkowo dużych cząstkach sugeruje, że ten mechanizm wzrostu jest inny. Sugerowano że wzrost rurek na powierzchni cząstek może wiązać się z uwalnianiem przesyconych atomów węgla z wnętrza cząstek węglika. Wielki rozwój wielowarstwowych rur z cząstkami katalitycznymi zaobserwowali wiele lat temu Baker i inni.

Dotychczas omawiane metody wytwarzania jednościennych nanorurek obejmowały odparowywanie łukowe przy użyciu zmodyfikowanych elektrod. Prace Smalleya i jego współpracowników pokazały, że jednościenne nanorurki można również zsyntetyzować metodą czysto katalityczną. Katalizator, wykorzystujący cząsteczki molibdenu o średnicy kilku nanometrów, został umieszczony na aluminium. Wszystko to zostało umieszczone w piecu w kształcie rurki, przez który przepuszczano tlenek węgla o temperaturze 1200 ° C. Ta temperatura jest znacznie wyższa niż zwykle stosowana w katalitycznej produkcji nanorurek, co może wyjaśniać, dlaczego powstają nanorurki jednościenne, a nie wielościenne.

Przygotowane katalitycznie rury jednowarstwowe posiadały szereg interesujących cech odróżniających je od rur syntetyzowanych przez naparowanie łukowe. Po pierwsze, rury katalityczne zwykle miały na końcu przyczepione małe cząstki metalu, podobnie jak rury wielowarstwowe wytwarzane w procesie katalizy. Istniał również szeroki zakres średnic cząstek (około 1-5 nm) i wydawało się, że średnica każdej rurki była określona przez średnicę odpowiedniej cząstki katalizatora. Wreszcie, katalitycznie uformowane rury jednowarstwowe zwykle izolowano, a nie wiązano, jak ma to miejsce w przypadku rur syntetyzowanych przez odparowanie łukowe.

Obserwacje te umożliwiły Smalleyowi i współpracownikom zaproponowanie mechanizmu wzrostu dla rur formowanych katalitycznie, który obejmuje początkowe formowanie się jednowarstwowej czapeczki (zwanej jarmolką - żydowska nazwa jarmułki), a następnie wzrost tej czapki z oddzieleniem od cząstki katalityczne, które następnie opuszczają rurę. Mechanizm ten jest zupełnie inny od proponowanego przez nich do wzrostu rur jednowarstwowych przez naparowanie laserowe.

Rysunek 1.2 - Jednościenne nanorurki rosnące na cząstce lantanu

Rysunek 1.3 – Obrazy TEM próbek z „wiązek” jednościennych nanorurek (a)

Obraz o niskiej rozdzielczości przedstawiający dużą liczbę pasm, (b) mikrofotografię o wysokiej rozdzielczości pojedynczej nici uwidocznioną wzdłuż jej osi.

1.3 „Pakiety” nanorurek

Od czasu odkrycia C60 w Raisie w 1985 roku, grupa Smalleya skupiła się na wykorzystaniu laserów w syntezie materiałów fulerenopodobnych. W 1995 roku poinformowali o rozwoju technologii fuzji laserowej, która pozwoliła im uzyskać jednościenne nanorurki z wysoką wydajnością. Kolejne udoskonalenia tej metody doprowadziły do ​​wytworzenia jednościennych nanorurek o niezwykle jednorodnych średnicach. Najlepszą wydajność jednorodnych jednościennych nanorurek uzyskano z mieszaniną katalityczną złożoną z równych części Co i Ni oraz zastosowano podwójny impuls, aby zapewnić bardziej równomierne odparowanie takiej tarczy.

Kilka mikrofotografii materiału uzyskanego tą technologią pokazano na rysunku 1.3. Ogólnie wygląd zewnętrzny jest bardzo podobny do materiału wytwarzanego przez naparowanie łukowe. Jednak pojedyncze rury mają tendencję do tworzenia „wiązek” lub rozszerzonych wiązek, które składają się z pojedynczych rur o tej samej średnicy. Czasami można było znaleźć wiązki przechodzące w bliskiej odległości od kierunku wiązki elektronów, tak że można było je zobaczyć „koniec do końca”, jak na rysunku 1.3 (b). Oprócz mikroskopii elektronowej Smalley i współpracownicy przeprowadzili pomiary dyfrakcji rentgenowskiej na próbkach „liny” we współpracy z Johnem Fisherem i współautorami z Pennsylvania State University. Uzyskano dobrze zdefiniowane odbicia od dwuwymiarowej sieci, potwierdzające, że rury miały tę samą średnicę. Stwierdzono dobrą zgodność z danymi eksperymentalnymi przy założeniu, że średnica nanorurki wynosi 1,38 nm z błędem ± 0,02 nm. Stwierdzono, że szczelina van der Waalsa między rurkami wynosi 0,315 nm, podobnie jak w przypadku krystalicznego C 60. Na podstawie badań RD stwierdzono, że wiązki te składają się głównie z (10, 10) nanorurek fotelowych. Potwierdziły to wyraźnie pomiary nanodyfrakcji elektronów wiązki elektronów, tak aby można było je zobaczyć „na końcu”, jak na rysunku 1.3 (b).

2. Teorie wzrostu nanorurek

2.1 Uwagi ogólne

Na początku ważne jest, aby wziąć pod uwagę wpływ na wzrost struktury rury. W swoim artykule w Nature z 1991 roku Iijima wskazał, że struktura helikoidalna wydaje się być lepsza, ponieważ takie rury mają powtarzający się krok na końcu wzrostu. To założenie, zilustrowane na rysunku 2., jest bardzo podobne do pojawienia się zwichnięcia śruby na powierzchni kryształu. Nanorurki krzesełkowe i zygzakowate nie mają takiej struktury, która jest korzystna dla wzrostu i powinny wymagać renukleacji nowego pierścienia sześciokątów. Sugeruje to, że zwinięte nanorurki powinny być częściej obserwowane niż wyciągi krzesełkowe lub zygzakowate nanorurki, chociaż obecnie nie ma wystarczających dowodów eksperymentalnych na poparcie tego.

Rysunek 2. - Rysunek dwóch koncentrycznych zwiniętych rur pokazujący obecność stopni na końcach wzrostu (5)

Następnie bardzo ważne pytanie dotyczące mechanizmu wzrostu – czy rurki wzrostowe mają zamknięte czy otwarte końce? Wczesny model wzrostu nanorurek, zapoczątkowany przez Endo i Kroto, faworyzował mechanizm zamkniętego końca. Założyli, że atomy węgla mogą zostać wprowadzone do zamkniętej powierzchni fulerenu w miejscach w pobliżu pierścieni pięciokątnych, a następnie przejść do stanu równowagi, w wyniku którego początkowy fuleren będzie w sposób ciągły wyciągany. Na poparcie tego pomysłu Endo i Kroto przytoczyli demonstrację Ulmera i współpracowników, że C 60 i C 70 mogą wyraźnie rosnąć w duże fulereny po dodaniu małych fragmentów węgla.

Chociaż mechanizm Endo-Kroto dostarcza wiarygodnego wyjaśnienia wzrostu jednościennych nanorurek, pozostaje głównym problemem w wyjaśnieniu wzrostu wielowarstwowego. Rozważając modele, Endo i Kroto sugerują, że wzrost wielowarstwowy można przeprowadzić „epitaksjalnie”. Jeśli tak jest, to wydaje się, że nie ma oczywistego powodu, dla którego druga warstwa nie powinna zacząć rosnąć natychmiast po utworzeniu początkowego fulerenu, a po zamknięciu drugiej warstwy dalsze rozciąganie dętki powinno stać się niemożliwe. Jest to jednak sprzeczne z obserwacją, że większość rur jest wielowarstwowa na całej swojej długości. Taki model ma również trudności z wyjaśnieniem struktur przez wątpliwe gałęzie. Z tych powodów zamknięty mechanizm wzrostu Endo-Kroto nie został powszechnie zaakceptowany.

Stwierdzenie, że mechanizm wzrostu powinien wystąpić przy otwartym końcu rury, jest w pewien sposób bardziej preferowany. Jak powiedział Richard Smalley: „Jeśli od 1984 do 1985 nauczyliśmy się czegoś o kondensacji węgla, to tego, że otwarte arkusze powinny dobrowolnie łączyć się z pięciokątami, aby wyeliminować zwisające wiązania”. Problem pozostawania rur z otwartym końcem w warunkach sprzyjających jego zamknięciu jest jednym z tych problemów rozważanych przez cała linia autorski.

2.2 Dlaczego nanorurki pozostają otwarte podczas wzrostu

Kilku autorów, zwłaszcza Smalley i współpracownicy, zasugerowali, że pole elektryczne w łuku może odgrywać ważną rolę w utrzymywaniu rurek otwartych podczas wzrostu. Bardziej poprawnie, powinno to pomóc zrozumieć, dlaczego nanorurki nigdy nie znajdują się w sadzy skondensowanej na ściankach komory odparowywania łukowego. Jednak obliczenia wykazały, że indukowany polem spadek energii otwartego końca jest niewystarczający do ustabilizowania konfiguracji otwartej, z wyjątkiem nierealistycznie wysokich pól. Dlatego opracowano elegancki model, w którym atom jest „spawany punktowo” między warstwami, co pomaga ustabilizować tworzenie otwartego końca, a nie go zamykać.

Idea ta została potwierdzona eksperymentami na zamykaniu poszczególnych nanorurek wielowarstwowych z różnicą napięć i bez niej. Taki model może pomóc w zrozumieniu wzrostu nanorurek w łuku, ale nie można go zastosować w przypadku wzrostu rurek, w którym nie występują silne pola elektryczne. Doprowadziło to niektórych autorów do spekulacji, że pewne interakcje między połączonymi rurami koncentrycznymi mogą być istotne dla stabilizacji rur otwartych.

Szczegółową analizę oddziaływania dwóch sprzężonych rurek przeprowadzili Jean-Christophe Charlier i współpracownicy przy użyciu metod dynamiki molekularnej. Przyjrzeli się rurze (10,0) w rurze (18,0) i odkryli, że pomiędzy końcami dwóch rur powstało mostek. Stwierdzono, że w wysokich temperaturach (3000 K) konfiguracja sklejania się struktur wiążących zmienia się w sposób ciągły. Założono, że zmienna struktura powinna tworzyć miejsca aktywne dla adsorpcji i wprowadzania nowych atomów węgla, ułatwiając w ten sposób wzrost rury.

Problem z tą teorią polega na tym, że nie jest ona w stanie wyjaśnić wzrostu jednościennych rur o dużej średnicy pod wpływem termicznej ekspozycji na sadzę fulerenową. Ogólnie rzecz biorąc, obecnie wydaje się, że nie ma pełnego wyjaśnienia wzrostu otwartych nanorurek.

2.3 Właściwości plazmy łukowej

Większość omówionych wcześniej modeli wzrostu nanorurek zakłada, że ​​rurki zarodkują i rosną w plazmie łukowej. Jednak niektórzy autorzy brali pod uwagę stan fizyczny samej plazmy i jej rolę w tworzeniu nanorurek. Najbardziej szczegółowe omówienie tego problemu przeprowadzili Eugene Gamaley, ekspert w dziedzinie fizyki plazmy, oraz Thomas Ebbesen (30, 31). Jest to złożony problem i możliwe jest tutaj tylko krótkie podsumowanie.

Gamaley i Ebbesen wychodzą z założenia, że ​​nanorurki i nanocząstki tworzą się w obszarze łuku w pobliżu powierzchni katody. Dlatego analizują gęstość i prędkość oparów węgla w okolicy, biorąc pod uwagę temperaturę i właściwości samego łuku, w celu opracowania swojego modelu. Uważają, że w warstwie oparów węgla w pobliżu powierzchni katody będą istnieć dwie grupy cząstek węgla o różnym rozkładzie prędkości. Ta idea jest kluczowa dla ich modelu wzrostu. Jedna grupa cząstek węgla musi mieć maxwellowski, tj. izotropowy rozkład prędkości odpowiadający temperaturze łuku (~4000 K). Kolejna grupa to jony przyspieszające w szczelinie między dodatnim ładunkiem przestrzeni a katodą. Prędkość tych cząstek węgla musi być większa niż prędkość cząstek termicznych, w którym to przypadku przepływ musi być ukierunkowany, a nie izotropowy. Proces formowania nanorurek (i nanocząstek) jest postrzegany jako seria cykli, z których każdy składa się z następujących etapów:

1. Formacja zarodka. Na początku procesu wyładowania rozkład prędkości węgla w odparowanej warstwie jest w przeważającej mierze maxwellowski, co prowadzi do powstania struktur bez osi symetrii, takich jak nanocząstki. W miarę jak prąd staje się bardziej kierunkowy, zaczynają tworzyć się otwarte struktury, które Gamaley i Ebbesen postrzegają jako jądra wzrostu nanorurek.

2. Wzrost rury podczas stabilnego rozładowania. Gdy wyładowanie jest ustabilizowane, przepływ jonów węgla wnika w warstwę pary w kierunku prostopadłym do powierzchni katody. Te cząstki węgla przyczynią się do wydłużenia jedno- i wielościennych nanorurek. Ponieważ oddziaływanie ukierunkowanych cząstek węgla z powierzchnią stałą powinno być intensywniejsze niż oddziaływanie cząstek węgla w warstwie pary, wzrost rozciągniętych struktur powinien mieć przewagę nad powstawaniem struktur izotropowych. Jednak kondensacja węgla z warstwy pary na powierzchni katody przyczyni się do pogrubienia nanorurek.

3. Zakończenie wzrostu i zamknięcie. Gamaley i Ebbesen zauważają, że nanorurki często rosną w wiązkach i że w obserwowanej wiązce dla wszystkich rurek wzrost i zakończenie zachodzą mniej więcej w tym samym czasie. Pozwala im to założyć, że w wyładowaniu łukowym występują niestabilności, które mogą prowadzić do nagłego zakończenia wzrostu nanorurek. Takie niestabilności mogą wynikać z niestabilnego ruchu plamki katody po powierzchni katody lub z spontanicznego przerwania i zapłonu łuku. W takich okolicznościach ponownie przeważać będą cząstki węgla o Maxwellowskim rozkładzie prędkości, a kondensacja takiego węgla ostatecznie doprowadzi do zatkania rurki i zakończenia wzrostu.

2.4 Alternatywne modele

Naukowcy przedstawili zupełnie inną teorię wzrostu nanorurek poprzez parowanie łukowe. W tym modelu nanorurki i nanocząstki nie rosną w plazmie łukowej, lecz tworzą się na katodzie w wyniku transformacji w stanie stałym. Tak więc wzrost nanorurek nie jest konsekwencją działania pola elektrycznego, ale jest po prostu wynikiem bardzo szybkie nagrzewanie do wysokich temperatur odczuwanych przez materiał osadzający się na katodzie podczas łuku. Pomysł ten został zapoczątkowany przez obserwację, że nanorurki można wytwarzać poprzez wysokotemperaturową obróbkę termiczną sadzy fulerenowej i obejmuje dwuetapowy proces wzrostu nanorurek, w którym sadza fulerenowa jest produktem pośrednim. Model można podsumować w następujący sposób. Na początkowe etapy Poprzez odparowanie łukowe materiał podobny do fulerenów (plus fulereny) musi skondensować się na katodzie, a następnie skondensowany materiał musi przejść wysokie temperatury podczas kontynuacji procesu łukowego, co prowadzi do powstania pierwszych jednościennych struktur podobnych do nanorurek i następnie wielowarstwowe nanorurki. W tym dwuetapowym modelu kluczowym działaniem jest wyżarzanie sadzy fulerenowej. Dzięki temu sadza osadzająca się na ściankach reaktora, która ulega stosunkowo słabemu wyżarzaniu, nie przekształca się w rury. Z drugiej strony sadza, która kondensuje na katodzie, musi ulec znacznemu wyżarzaniu: doprowadzi to do powstania rur i nanocząstek w postaci stałej masy. Dlatego model ten pozwala wyjaśnić wpływ takich zmiennych jak chłodzenie elektrody i ciśnienie helu na produkcję nanorurek. Wydaje się, że chłodzenie wodą musi być niezbędne do utrzymania niskiej temperatury katody na poziomie niezbędnym do uniknięcia żużlania rur. Podobnie rolę helu można wytłumaczyć jego wpływem na temperaturę osadu katodowego. Ponieważ hel jest doskonałym przewodnikiem ciepła, wysokie ciśnienia powinny prowadzić do obniżenia temperatury elektrody, prowadząc do jej spadku w obszarze, w którym może zachodzić wzrost nanorurek bez żużlania.

2.5 Wzrost jednościennych nanorurek

Rozważmy najpierw wzrost jednościennych nanorurek w wyparce łukowej. Proces ten rodzi nie mniej pytań niż wzrost wielowarstwowych nanorurek w łuku. Wśród najbardziej oczywistych są następujące: Dlaczego obserwuje się tylko jednościenne nanorurki? Dlaczego istnieje tak wąski rozkład średnic rur? Jaka jest rola metalu? Dlaczego rury najczęściej rosną w wiązkach? Ponownie, mamy tylko kilka konkretnych odpowiedzi na te pytania.

Jedna rzecz, która wydaje się jasna, to to, że wzrost jednościennych nanorurek powinien być w dużej mierze zdeterminowany przez kinetykę, a nie termodynamikę, ponieważ oczekuje się, że rury o bardzo małych średnicach będą mniej stabilne niż w przypadku dużych. Brak wielu warstw jest przypuszczalnie również ograniczony czynnikami kinetycznymi. Jeśli chodzi o rolę metalu, zarówno Bethune i współpracownicy, jak i Iijima i Ichihashi zasugerowali, że pojedyncze atomy metalu lub ich małe skupiska mogą działać jako katalizatory wzrostu fazy gazowej, podobnie jak małe cząstki metalu katalizują wzrost wielowarstwowych rur. . Udział pojedynczych atomów lub dobrze zdefiniowanych klastrów powinien pomóc wyjaśnić rozkłady o wąskich rozmiarach. Zaskakujące jest jednak to, że cząstki katalityczne nigdy nie są obserwowane na szczytach jednościennych nanorurek. Nawet jeśli cząstki katalizatora byłyby oddzielnymi atomami, można je wykryć za pomocą wysokiej rozdzielczości mikroskopii elektronowej lub skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM). Możliwe, że atomy lub cząstki katalityczne zostaną odłączone podczas zamykania rur. Jak wspomniano powyżej, Bethune i współpracownicy wykazali, że dodanie pierwiastków, takich jak siarka do metalu, może poważnie zakłócić rozkład średnic rur. Dalsze badanie tego zjawiska może dostarczyć użytecznych wyjaśnień dotyczących mechanizmu wzrostu.

Jedną z kilku prób opracowania szczegółowego modelu wzrostu jednościennych nanorurek podjęli się Ching-Hwa Kiang i William Goddard. Badacze ci sugerują, że plenarne pierścienie polienowe mogą służyć jako jądra do tworzenia jednościennych nanorurek. Wykazano, że takie struktury pierścieniowe powinny być dominującymi cząstkami w oparach węgla, podczas gdy zamknięte struktury szkieletowe dominować przy dużych rozmiarach. Postulowano, że pierścienie węglowe mogą być prekursorami w tworzeniu fulerenów, chociaż pozostaje to kontrowersyjne. Kiang i Goddard uważają, że materiałami wyjściowymi do formowania jednościennych nanorurek są monocykliczne pierścienie węglowe i prawdopodobnie naładowane skupiska w fazie gazowej węglika kobaltu. Klastry węglika kobaltu działają jak katalizatory, gdy są przyłączone do pierścieni C2 lub innych cząstek. Autorzy ci sugerują, że określona konformacja powinna wpływać na strukturę powstałej nanorurki.

Smalley i współpracownicy, podążając za swoją teorią „wiązek” nanorurek, zaproponowali mechanizm wzrostu, który ma pewne podobieństwa do mechanizmu Qiang i Goddarda. Model ten opiera się na założeniu, że wszystkie rury mają taką samą (10,10) konstrukcję fotela. Ta jedyna w swoim rodzaju struktura pozwala na „nałożenie” otwartych sześciokątnych pierścieni przez potrójne wiązania, chociaż muszą one być znacznie obciążone w porównaniu z ich pierwotnym układem liniowym. Następnie grupa Smalleya sugeruje, że pojedynczy atom niklu chemicznie adsorbuje się na końcu rury i „biegnie” po obwodzie (rysunek 2.1), pomagając przychodzącym atomom węgla osadzać się na sześciokątnych pierścieniach. Wszelkie lokalnie nieoptymalne struktury, w tym pięciokąty, zostaną odzwierciedlone, dzięki czemu taka rura będzie rosła w nieskończoność.

W tym przypadku, podobnie jak w przypadku innych proponowanych mechanizmów wzrostu jednościennych nanorurek, nie ma bezpośrednich dowodów eksperymentalnych.

Rysunek 2.1 – Ilustracja mechanizmu „skutera” podczas wzrostu (10, 10) nanorurek fotela.

Wiele grup naukowców na całym świecie próbowało oczyścić próbki nanorurek przy użyciu metod takich jak wirowanie, filtracja i chromatografia. Niektóre z tych metod obejmują wstępne przygotowanie zawiesin koloidalnych materiału zawierającego nanorurki przy użyciu środków powierzchniowo czynnych. Na przykład Jean-Marc Bonard i współpracownicy wykorzystali anionowy środek powierzchniowo czynny dodekacyklosiarczan sodu (SDS), aby uzyskać stabilną zawiesinę nanorurek i nanocząstek w wodzie. Początkowo do oddzielenia nanorurek od nanocząstek stosowano metodę filtracji, ale skuteczniejszą separację osiągnięto po prostu: przez umożliwienie flokulacji nanorurek, pozostawiając nanocząstki w zawiesinie. Osad można następnie usunąć i kontynuować dalsze procedury sedymentacji. Umożliwiło to nie tylko wydobycie nanocząstek, ale także doprowadziło do pewnego rozdzielenia rur na długość.

Inną metodę uzyskiwania rozdziału wielkości nanorurek opisali Duisberg i współpracownicy z Instytutu Maxa Plancka w Stuttgarcie i Trinity College Dublin. Oddzielenie rur i innych materiałów ponownie uzyskano w kwasie CHS. Następnie rozdział przeprowadzono przy użyciu chromatografii wykluczania (SXR). Technologia ta jest szeroko stosowana do separacji makrocząsteczek biologicznych, a autorzy wykazali, że można z powodzeniem rozdzielać próbki nanorurek na frakcje z rurkami o różnej długości. Jedną z możliwych wad stosowania sufraktantów, takich jak SDN, w oczyszczaniu nanorurek jest to, że w produkcie końcowym mogą pozostać ślady sufraktanta. Bonard i współpracownicy wykazali jednak, że poprzez pranie można osiągnąć obniżenie poziomu SDF poniżej 0,1%.

3. Czyszczenie rur jednowarstwowych

Opracowano również metody czyszczenia jednościennych rurek, chociaż proces ten wymaga więcej wysiłku niż w przypadku wielościennych nanorurek. Oprócz dużej ilości amorficznego węgla nanorurki zawierające sadzę zawierają również cząstki metalu, które same często są pokryte węglem. Co więcej, metody twardego utleniania stosowane do czyszczenia wielowarstwowych nanorurek są również niszczące dla rur jednościennych.

Japońscy naukowcy opisali krok po kroku proces sukcesywnej eliminacji różnych zanieczyszczeń. Pierwszy etap obejmował mycie nietraktowanej sadzy wodą destylowaną przez 12 godzin, a następnie filtrację i suszenie. Procedura ta umożliwiła usunięcie części cząstek grafitu i węgla amorficznego. Fulereny wymyto toluenem w aparacie Soxkleta. Następnie sadzę ogrzewano do 470°C w powietrzu przez 20 minut w celu pozbycia się cząstek metalu. Na koniec pozostałą sadzę wystawiono na działanie kwasu nadchlorowego w celu rozpuszczenia cząstek metalu. Badanie produktu końcowego za pomocą mikroskopii elektronowej i dyfrakcji rentgenowskiej wykazało, że większość zanieczyszczeń została usunięta, chociaż pozostało w nim trochę wypełnionych i pustych nanocząstek.

Smalley i współpracownicy opracowali metodę oczyszczania próbek nanorurek z wiązek za pomocą mikrofiltracji. Jako pierwsi opisali technikę wykorzystania kationowego środka powierzchniowo czynnego do przygotowania zawiesiny nanorurek i materiału towarzyszącego w roztworze, a następnie osadzenia nanorurek na membranie. Jednak po każdej filtracji wymagana była wielokrotna filtracja zawiesiny w celu osiągnięcia znacznego poziomu oczyszczenia, przez co taka procedura była bardzo powolna i nieskuteczna. Ulepszoną metodę opisano w artykule, w którym zastosowano sonikację, aby utrzymać materiał w zawiesinie podczas filtracji, a tym samym umożliwić ciągłą filtrację dużych ilości próbki. W ten sposób udało się w ciągu 3-6 godzin oczyścić do 150 ml sadzy, uzyskując materiał zawierający ponad 90% SWNT.

Jednowarstwowe probówki można było również czyścić za pomocą chromatografii, Duisburg i wsp. Opisali metodę podobną do tej stosowanej w przypadku MWNT i wykazali jej skuteczność w przypadku SWNT.

4. Wyrównywanie próbek nanorurek

fulerenopodobna plazma nanorurek węglowych

Wiele z opisanych powyżej metod przygotowania daje próbki z losowo zorientowanymi nanorurek. Chociaż rury są często pogrupowane w wiązki, same wiązki w ogóle nie pokrywają się ze sobą. Aby zmierzyć właściwości nanorurek, bardzo przydatne byłyby próbki, w których wszystkie rurki są ustawione w tym samym kierunku. Chociaż opisano już katalityczne metody przygotowania wyrównywanych rur, konieczne było również opracowanie technologii wyrównywania próbek rur po ich syntezie. Tak więc jedna z pierwszych takich metod została zaproponowana w 1995 roku przez grupę z Ecole Polytechnic Federal of Lousanne w Szwajcarii. Wykorzystali próbkę MWNT przygotowaną przez odparowanie łukowe, którą odwirowano i przefiltrowano w celu usunięcia nanocząstek i innych zanieczyszczeń. Cienkie błony oczyszczonych nanorurek zostały następnie nałożone na powierzchnię tworzywa sztucznego, a obrazy SEM wykazały, że te rurki były ustawione prostopadle do błony w tak swobodnym stanie. Stwierdzono, że rury mogą być ustawione równolegle do powierzchni próbki, uprzednio lekko przetartej teflonem lub folią aluminiową. Autorzy twierdzą, że tą metodą filmy mogą być „dowolne duże” i wykorzystali te filmy do przeprowadzenia eksperymentów z emisją polową.

Inną metodą wyrównywania nanorurek jest osadzenie tych rurek w matrycy, a następnie wytłoczenie takiej matrycy w taki sposób, aby rurki zostały wyrównane w kierunku przepływu.

5. Kontrolowanie długości nanorurek węglowych

Technika cięcia pojedynczych jednościennych nanorurek na kontrolowane długości została opisana przez badaczy z uniwersytetów Delft i Rais pod koniec 1997 roku. Zastosowane nanorurki zostały uzyskane przez naparowanie laserowe przez grupę Smalleya i zostały naniesione na powierzchnię pojedynczych kryształów złota do skanowania mikroskopia tunelowa. Po zidentyfikowaniu odpowiedniej nanorurki skanowanie zostało zatrzymane, a końcówka Pt/Ir została przesunięta do wybranego punktu na tej rurce. Następnie Sprzężenie zwrotne została wyłączona, a impuls napięcia był przykładany między końcówką a próbką przez pewien czas. Po wznowieniu skanowania widoczna była przerwa na nanorurce, jeśli przycinanie się powiodło. Wykazano, że poszczególne rury można ciąć do czterech oddzielnych pozycji. Stwierdzono, że krytycznym czynnikiem w procesie krojenia jest napięcie, a nie prąd wymagany do procesu krojenia, minimalne napięcie powinno wynosić 4 V.

Dzięki pocięciu pojedynczych nanorurek na krótkie odcinki, autorzy byli w stanie wykazać, że właściwości elektryczne krótkich rurek różnią się od właściwości oryginalnych nanorurek. Różnice te przypisywano przejawom efektów wielkości kwantowej.

Oprócz kontrolowania długości pojedynczych nanorurek, możliwe jest cięcie na krótkie odcinki i próbki zbiorcze z jednościennych nanorurek. Zademonstrowała to w 1998 roku grupa Smalley. Najskuteczniejszym sposobem uzyskania próbek z krótkich rurek (nazywano je „rurkami fulerenowymi”) jest sonikacja materiału nanorurek w roztworze kwasu siarkowego i azotowego. Podczas tej ekspozycji wydaje się, że lojalna sonochemia wytwarza dziury w powierzchniach rurek, które są następnie atakowane przez kwasy, tworząc otwarte „kanaliki”. Smalley i współpracownicy wykazali, że rury te można podzielić na frakcje o różnych długościach metodą znaną jako frakcjonowanie przepływu w terenie. Wypełnili również końce takich otwartych nanorurek różnymi grupami funkcyjnymi i wykazali, że cząsteczki złota mogą przyczepiać się do końców rurki dna. Tę pracę można uznać za początek nowej chemii organicznej opartej na nanorurkach węglowych.

6. Analiza badawcza

Metoda odparowania łukowego Iijimy, Ebbesena i Ajayana pozostaje bez wątpienia najlepszą techniką syntezy nanorurek. Wysoka jakość, ale ma wiele wad. Po pierwsze, jest pracochłonne i wymaga pewnych umiejętności, aby osiągnąć odpowiedni poziom odtwarzalności. Po drugie, jej wydajność jest raczej niska, ponieważ odparowany węgiel osadza się na ściankach komory bardziej niż na katodzie, a nanorurki są zanieczyszczone nanocząstkami i innymi szczątkami grafitu. Po trzecie, jest to bardziej proces „pieczenia” niż proces ciągły i nie jest łatwo zwiększyć skalę. Jeśli nanorurki będą kiedykolwiek wykorzystywane komercyjnie w: duża skala, wtedy najwyraźniej będziesz musiał użyć innej metody przygotowania. Postęp w tym kierunku utrudnia brak zrozumienia mechanizmu wzrostu rur w łuku. Dlatego też należy z zadowoleniem przyjąć dalsze badania, w szczególności poświęcone wyjaśnieniu mechanizmu wzrostu nanorurek.

Jest jeszcze jedna poważna słabość metody naparowywania łukowego i wszystkich innych obecnych technologii wytwarzania wielowarstwowych nanorurek: wytwarzają one szeroki zakres rozmiarów i struktur rurek. A to może być problemem nie tylko w niektórych zastosowaniach, ale także w tych dziedzinach, w których potrzebne są specyficzne konstrukcje rurowe, takich jak nanoelektronika. Czy można przewidzieć ścieżkę, po której będą przygotowywane rury o określonych strukturach? Być może uda się to osiągnąć dzięki kreatywnemu wykorzystaniu katalizatorów.

Badacze zwracają uwagę na większą jednorodność rur jednościennych niż ich wielościennych odpowiedników, przynajmniej pod względem średnic. Jednak stosowane bezpośrednio do syntezy jednościennych rurek, metody są bardziej złożone niż w przypadku wielościennych nanorurek. Do produkcji materiału wykorzystywana jest technika naparowywania laserowego, opracowana przez grupę Smoli najwyższej jakości z najwyższą wydajnością, ale lasery wysokoenergetyczne wymagane do tej metody nie zawsze są dostępne w konwencjonalnym laboratorium. Podobnie jak w przypadku rur wielowarstwowych, droga naprzód może obejmować metody katalityczne, a obecne badania w tym kierunku są zachęcające. Oczekuje się, że chemicy organiczni będą w stanie dokończyć pełną syntezę nanorurek. Należy jednak mieć na uwadze, że może to być odległa perspektywa, skoro nawet pełna synteza C60 nie została jeszcze przeprowadzona.

Chociaż najwyższej jakości nanorurki są obecnie produkowane metodami, które również wytwarzają znaczne ilości materiału zanieczyszczającego, należy zauważyć, że istnieją metody usuwania tego materiału. Na szczęście ostatnio poczyniono znaczne postępy w tej dziedzinie i obecnie istnieje szereg metod usuwania zbędnych nanocząstek, mikroporowatego węgla i innych zanieczyszczeń z próbek zarówno wielowarstwowych, jak i jednościennych nanorurek. Opracowano również procedury wyrównywania rur i przycinania ich do kontrolowanej długości. Technologie te umożliwią postęp w obszarach, w których brak czystych i dobrze zdefiniowanych próbek pozostaje głównym problemem.

Wniosek

Metoda otrzymywania nanorurek, opisana przez Injimę w 1991 roku, dawała stosunkowo słabą wydajność, utrudniając dalsze badania ich struktury i właściwości. Ważny postęp nastąpił w lipcu 1992 roku, kiedy Thomas Ebessen i Pulikel Ajayan, pracujący w tym samym japońskim laboratorium co Iijima, opisali metodę wytwarzania gramowych ilości nanorurek. Ponownie było to nieoczekiwane odkrycie: próbując przygotować pochodne fulerenów, Ebessen i Ajayan odkryli, że zwiększenie ciśnienia helu w komorze odparowywania łukowego radykalnie poprawia wydajność nanorurek tworzonych w sadzy katodowej. Dostępność nanorurek w dużych ilościach doprowadziła do ogromnego wzrostu tempa badań na całym świecie.

Innym obszarem, który wzbudził wczesne zainteresowanie, był pomysł wykorzystania nanorurek węglowych i nanocząstek jako „pojemników molekularnych”. Kamieniem milowym w tym kierunku było zademonstrowanie przez Ajayana i Iijimę, że nanorurki mogą być wypełnione stopionym ołowiem, a zatem mogą być używane jako szablony dla „nanowprzewodów”. Następnie opracowano bardziej kontrolowane metody otwierania i napełniania nanorurek, umożliwiające umieszczanie w nich szerokiej gamy materiałów, w tym biologicznych. Otwarcie i wypełnienie nanorurek może skutkować ogromnymi właściwościami, które można zastosować w katalizie lub czujnikach biologicznych. Wypełnione nanocząstki węglowe mogą mieć również ważne zastosowania w tak różnych dziedzinach, jak rejestracja magnetyczna i medycyna nuklearna.

Być może największą część poświęconą badaniom nad nanorurek należy poświęcić ich właściwościom elektronicznym. Prace teoretyczne poprzedzające odkrycie Iijimy zostały już odnotowane powyżej. Krótko po tym, jak Iijima opublikował list do Nature w 1991 roku, pojawiły się dwa inne artykuły dotyczące właściwości elektronicznych nanorurek węglowych. Zespół naukowców z MIT oraz Noriaki Hamada i koledzy z laboratorium Iijima w Tsukuba wykonali obliczenia struktury pasmowej przy użyciu modelu sztywnego złącza i wykazali, że właściwości elektroniczne zależą zarówno od struktury rury, jak i jej średnicy. Te niezwykłe przewidywania wzbudziły ogromne zainteresowanie, ale eksperymentalne próby określenia właściwości elektronowych nanorurek napotkały ogromne trudności. Jednak dopiero w 1996 roku przeprowadzono eksperymentalne pomiary pojedynczych nanorurek, które mogły potwierdzić przewidywania teoretyczne. Wyniki te sugerują, że nanorurki mogą stać się komponentami przyszłych urządzeń nanoelektronicznych.

Określenie właściwości mechanicznych nanorurek węglowych stanowiło ogromne trudności, ale po raz kolejny eksperymentatorzy podjęli wyzwanie. Pomiary za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej i siły atomowej wykazały, że właściwości mechaniczne nanorurek węglowych mogą być równie wyjątkowe, jak ich właściwości elektroniczne. W rezultacie wzrosło zainteresowanie zastosowaniem nanorurek w materiałach kompozytowych.

Obecnie interesujące są różne inne możliwe zastosowania nanorurek. Na przykład wielu naukowców bada problem wykorzystania nanorurek jako końcówek do mikroskopii sond skanujących. Dzięki wydłużonemu kształtowi, spiczastym końcówkom i wysokiej sztywności nanorurki powinny być idealne do tego celu, a początkowe eksperymenty w tej dziedzinie przyniosły niezwykle imponujące wyniki. Wykazano również, że nanorurki mają użyteczne właściwości emisje polowe, które mogłyby prowadzić do ich wykorzystania w płaskich wyświetlaczach panelowych. Badania nanorurek rozwijają się wszędzie w astronomicznym tempie, a ich komercyjne zastosowania z pewnością nie potrwają długo.

Bibliografia

1. P. Harris, Nanorurki węglowe i struktury pokrewne. Nowe materiały XXI wieku - M.: technosfera, 2003.

Opublikowano na Allbest.ru

Podobne dokumenty

Struktura grafitu, która decyduje o jego właściwościach elektrycznych. Jednościenne i wielościenne nanorurki węglowe. Energia wiązania bromu z warstwą grafitu. Technika eksperymentalna i charakterystyka instalacji. Fenomenologiczny opis procesu bromowania.

praca semestralna dodana 17.09.2011


Klasyfikacja nanostruktur węglowych. Modele powstawania fulerenów. Montaż fullerenów z fragmentów grafitu. Mechanizm powstawania nanocząstek węgla przez krystalizację ciekłego klastra. Metody produkcji, budowa i właściwości nanorurek węglowych.

praca semestralna dodana 25.09.2009


Procesy sorpcji na granicy sorbat - sorbent. Metody otrzymywania porowatych materiałów węglowych. Adsorpcyjne metody oczyszczania ścieków. Główne reakcje oddziaływania składników mieszanin materiałów organicznych w procesach kotermolizy.

praca dyplomowa, dodana 21.06.2015


Podstawowe pojęcia i metody spawania rurociągów. Wybór stali na gazociąg. Przygotowanie krawędzi rur do spawania. Dobór materiału spawalniczego. Wymagania dotyczące montażu rur. Egzaminy kwalifikacyjne spawaczy. Technologia i technika ręcznego spawania łukowego.

praca dyplomowa, dodana 25.01.2015


Układ stabilizacji prędkości obrotowej silnika prądu stałego jako przykład wykorzystania metod teorii sterowania automatycznego. Układ stabilizacji prądu łukowego pieca stalowniczego, moc cięcia procesu szlifowania bezkłowego.

praca semestralna, dodana 18.01.2013


Technologia produkcji spawania. Historia rozwoju produkcji spawalniczej. Specyfika spawania łukiem argonowym i zakres jego zastosowania. Zastosowanie, zalety i wady spawania łukiem argonowym. Charakterystyka porównawcza sprzętu do tego typu spawania.

streszczenie, dodane 18.05.2012


Skład i właściwości stali. Informacje o jego spawalności. Technologia produkcji złącze spawane nakładanie dwóch arkuszy metodą ręcznego spawania łukowego i w osłonie gazu elektrodą topliwą. Wybór materiały spawalnicze i źródła zasilania łuku spawalniczego.

praca semestralna dodana 28.05.2015 r.


Oznaczanie spawalności użytych materiałów, dobór materiałów wypełniających i wyposażenia. Jednostka spawalnicza dla górnej dolnej i górnej skorupy. Obliczanie trybu ręcznego spawania łukowego. Mapa proces technologiczny jednostka spawalnicza A Ar-C17 zgodnie z GOST 14771-76.

praca semestralna, dodana 20.02.2013


Informacje ogólne o materiałach kompozytowych. Nieruchomości materiały kompozytowe typ sibunitu. Gama porowatych materiałów węglowych. Materiały ekranujące i pochłaniające promieniowanie radiowe. Ceramika fosforanowo-wapniowa jest biopolimerem do regeneracji tkanki kostnej.

streszczenie, dodane 13.05.2011


Rodzaje i właściwości rur z tworzyw sztucznych, uzasadnienie wyboru sposobu ich łączenia, zasady łączenia. Ogólne zasady zgrzewania doczołowego tworzyw sztucznych i rury polipropylenowe... Technologia zgrzewania gniazd. Zasady i etapy montażu rur polipropylenowych.

Wynalazek dotyczy dziedziny sorpcyjnego oczyszczania wód powierzchniowych i podziemnych o wysokiej zawartości tytanu i jego związków i może być stosowany do oczyszczania wody w celu uzyskania bezpiecznej dla zdrowia wody pitnej. Metoda oczyszczania wód powierzchniowych i gruntowych z tytanu i jego związków polega na doprowadzeniu zanieczyszczonej wody do kontaktu z adsorbentem, gdzie jako adsorbent stosuje się nanorurki węglowe, które umieszczane są w kąpieli ultradźwiękowej i działają na nanorurki węglowe i wodę oczyszczoną w trybie 1-15 min, o częstotliwości ultradźwięków 42 kHz i mocy 50 watów. Wynik techniczny polega na 100% oczyszczeniu wody z tytanu i jego związków dzięki bardzo wysokim właściwościom adsorpcyjnym nanorurek węglowych. 4 dwg, 2 łyżki, 4 ex

Rysunki do patentu RF 2575029

Wynalazek dotyczy dziedziny sorpcyjnego oczyszczania wód powierzchniowych i podziemnych o wysokiej zawartości tytanu i jego związków i może być stosowany do oczyszczania wód z tytanu i jego związków w celu uzyskania bezpiecznej wody pitnej.

Znana metoda oczyszczania wody z jonów metale ciężkie, zgodnie z którym do czyszczenia jako adsorbent stosuje się kalcynowany aktywowany naturalny adsorbent, który jest skałą krzemionkową o mieszanym składzie mineralnym złóż Tatarstanu, zawierającym% wag.: opalkrystobolit 51-70, zeolit ​​9-25, składnik ilasty - mont morillonit, hydromica 7-15, kalcyt 10-25 itp. [Patent RF 2150997, IPC B01G 20/16, B01G 20/26, wyd. 20.06.2000]. Wadą tej metody jest użycie kwasu solnego do aktywacji materiału, co wymaga sprzętu odpornego na agresywne środowiska. Ponadto metoda wykorzystuje dość rzadką skałę o złożonym składzie mineralnym i brak jest danych na temat zawartości tytanu i jego związków.

Znany sposób wytwarzania ziarnistego adsorbentu na bazie szungitu [Ed.St. ZSRR nr 822881, IPC B01G 20/16, wyd. 23.04.1981].

Wadą tej metody jest zastosowanie rzadkiego mineralnego szungitu, który jest wstępnie modyfikowany azotanem amonu, kalcynowany w wysoka temperatura, co wymaga odpowiedniego sprzętu i zużycia energii, a także przetwarzania w środowiskach agresywnych. Brak danych na temat skuteczności oczyszczania wody z tytanu.

Znany jest sposób, traktowany jako analog, otrzymywania organomineralnych sorbentów na bazie naturalnych glinokrzemianów, a mianowicie zeolitu, poprzez modyfikację uprzednio poddanego obróbce cieplnej glinokrzemianu za pomocą polisacharydów, w szczególności chitozanu [patent RF nr 2184607, IPC C02F 1/56, B01J 20/32, B01J 20/26 , B01J 20/12, wyd. 10.07.2002]. Metoda umożliwia otrzymanie sorbentów odpowiednich do skutecznego oczyszczania roztworów wodnych z jonów metali i różnego rodzaju barwników organicznych.

Wadami sorbentów otrzymanych opisaną metodą jest ich wysoki stopień dyspersji, co nie pozwala na oczyszczanie wody prądem przez warstwę sorbentu (filtr szybko się zapycha), a także możliwość wypłukania warstwy chitozanu z sorbentu z biegiem czasu ze względu na brak jego wiązania na bazie mineralnej, a nie dane dotyczące skutecznego usuwania związków metali ciężkich, takich jak tytan i jego związki.

Opisano sposób oczyszczania i unieszkodliwiania wód przemysłowych z urządzeń filtrujących oczyszczalni ścieków [Patent na wynalazek RU nr 2372297, IPC C02F 1/5, C02F 103/04, wyd. 10.11.2009].

Istota wynalazku polega na zastosowaniu złożonego koagulanta, który jest mieszaniną wodnych roztworów siarczanu i tlenochlorku glinu w stosunku dawek 2:1 dla tlenku glinu.

Patent ten podaje przykłady oczyszczania wód podziemnych do zaopatrzenia w wodę pitną.

Wadą opisywanej metody jest niska skuteczność oczyszczania z zanieczyszczeń, 46% osadu wypłynęło, a reszta znajdowała się w zawiesinie.

Znany sposób oczyszczania wody przez obróbkę w rurociągu zasilającym kationowym flokulantem [patent RF nr 2125540, IPC C02F 1/00, publ. 27.01.2099].

Wynalazek dotyczy sposobów oczyszczania wody z rynien powierzchniowych i może być stosowany w dziedzinie zaopatrzenia w wodę pitną w gospodarstwie domowym lub wody technicznej.

Istota wynalazku: oprócz flokulanta do rurociągu wprowadza się koagulant mineralny w stosunku masowym do flokulanta od 40:1 do 1:1.

Metoda zapewnia zwiększenie wydajności agregacji zawiesiny, co pozwala na 2-3 krotne zmniejszenie zmętnienia osiadanej wody. Po zastosowaniu tej metody wymagana jest dalsza pełna sedymentacja w osadnikach. Tym samym zgodnie z opisaną metodą nie osiągnięto 100% oczyszczenia z metali, twardość wody spadła z 5,7 mEq/L do 3 mEq/L, zmętnienie spadło do 8,0 mg/L.

Wadą analogu jest niska skuteczność oczyszczania z metali i zanieczyszczeń organicznych, brak danych na temat zawartości tytanu.

Opisał efektywność sorpcji nanorurek węglowych (CNT), jako podstawy dla innowacyjnej technologii oczyszczania mieszanin woda-etanol [Zaporotskova NP. i inny Biuletyn VolSU, seria 10, nr. 5, 2011, 106 s.].

W niniejszej pracy przeprowadzono kwantowo-mechaniczne badania procesów adsorpcji cząsteczek ciężkich alkoholi na zewnętrznej powierzchni jednościennych nanorurek węglowych.

Wadą opisywanej aktywności sorpcyjnej CNT są jedynie teoretyczne obliczenia kwantowo-mechaniczne, a badania eksperymentalne przeprowadzono dla alkoholi. Nie ma przykładów usuwania metalu.

Udowodniono pozytywny wpływ nanorurek węglowych na proces oczyszczania mieszanin woda-etanol.

Obecnie szczególne nadzieje w rozwoju wielu dziedzin nauki i technologii wiążą się z nanorurkami węglowymi CNT [Harris P. Nanorurki węglowe i powiązane struktury. Nowe materiały XXI wieku. - M .: Technosfera, 2003. - 336 s.].

Niezwykła cecha CNT jest związana z ich unikalną charakterystyką sorpcyjną [Eletsky A.V. Właściwości sorpcyjne nanostruktur węglowych. - Postępy w naukach fizycznych. - 2004. -T. 174, nr 11. - S. 1191-1231].

Opisano filtr na bazie nanorurek węglowych do oczyszczania cieczy zawierających alkohol [Polikarpova N.P. i inny Biuletyn VolSU, seria 10, nr. 6, 2012, 75 s.]. Przeprowadzono eksperymenty oczyszczania cieczy zawierających alkohol metodami filtracji i transmisji, ustalono udział masowy CNT, co prowadzi do najlepszego wyniku.

Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały, że obróbka mieszaniny woda-etanol za pomocą CNT pomaga zmniejszyć zawartość olejów fuzlowych i innych substancji. Wadą tego analogu jest brak danych na temat oczyszczania wody z metali.

W pracy badano sorpcję/desorpcję Zn(II) w kolejnych cyklach z węglem aktywnym i CNT. Adsorpcja Zn(II) na węglu aktywnym gwałtownie spadła po kilku cyklach, co tłumaczy się niskim usuwaniem jonów metali z wewnętrznej powierzchni porów węgla aktywnego.

Hydrofobowy charakter nanorurek węglowych determinuje ich słabe oddziaływanie z cząsteczkami wody, stwarzając warunki do jej swobodnego przepływu.

Noy A., Park H.G., Fornasiero F., Holt J.K., Grigoropoulos C.P. i Bakajin O. Nanofluidics w nanorurkach węglowych // Nano Today. 2007, t. 2, nie. 6, s. 22-29.

Zdolność adsorpcyjna CNTs zależy od obecności grup funkcyjnych na powierzchni adsorbentu oraz właściwości adsorbatu.

Na przykład obecność grup karboksylowych, laktonowych i fenolowych zwiększa zdolność adsorpcji substancji polarnych.

CNT, na powierzchni których nie ma grup funkcyjnych, charakteryzują się wysoką zdolnością adsorpcji zanieczyszczeń niepolarnych.

Jednym ze sposobów tworzenia membrany jest hodowanie CNT na powierzchni krzemu przy użyciu oparów zawierających węgiel, przy użyciu niklu jako katalizatora.

CNT to struktury molekularne przypominające słomki wykonane z arkuszy węgla o grubości ułamka nanometra 10 -9 m, w rzeczywistości jest to warstwa atomowa zwykłego grafitu skręcona w rurkę - jeden z najbardziej obiecujących materiałów w tej dziedzinie nanotechnologii. CNT mogą również mieć rozszerzoną strukturę [strona internetowa WCG http://www.worldcommunitygrid.org/].

Technologia membranowa, która jest szeroko stosowana do pozyskiwania wody pitnej dla mieszkańców naszej planety.

Istnieją dwie istotne wady - zużycie energii i zanieczyszczenie membrany, które można usunąć tylko metodami chemicznymi.

Membrany produktywne i przeciwporostowe można tworzyć na bazie nanorurek węglowych lub grafenu [M. Majumder i in. Natura 438, 44 (2005).

Najbliższy zastrzeżonemu wynalazkowi pod względem istoty technicznej i osiągniętego wyniku jest sposób wytwarzania sorbentów do oczyszczania wody [Patent RF 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, wyd. 01.12.2004]. Ten patent jest traktowany jako prototyp. Metoda ta dotyczy dziedziny oczyszczania wody sorpcyjnej, a konkretnie produkcji sorbentów i metod oczyszczania i może być stosowana do oczyszczania wody pitnej lub przemysłowej o wysokiej zawartości jonów metali ciężkich i polarnych substancji organicznych. Metoda obejmuje przetwarzanie naturalnego glinokrzemianu roztworem chitozanu w rozcieńczonym kwasie octowym w stosunku glinokrzemianu do roztworu chitozanu równym 1:1 przy pH 8-9.

Tabela 1 pokazy Charakterystyka porównawcza sorbenty otrzymane według wynalazku przyjęte jako prototyp [Patent 2277013]. Podano przykłady sorpcji w odniesieniu do barwników oraz sorpcji jonów miedzi, żelaza i innych metali z roztworów.

Wadą prototypu jest niska zdolność adsorpcji w stosunku do metali ciężkich (COE) mg/l dla miedzi Cu+2 (od 3,4 do 5,85), brak jest danych dotyczących adsorpcji tytanu i jego związków. COE, mg / l dla Fe +3 waha się od 3,4 do 6,9.

Celem wynalazku jest opracowanie metody oczyszczania wód powierzchniowych i gruntowych z tytanu i jego związków za pomocą nanorurek węglowych i ultradźwięków, która pozwoli na uzyskanie wysokiej jakości czystej wody pitnej, zwiększy efektywność oczyszczania wód powierzchniowych i gruntowych dzięki wysoka charakterystyka adsorpcji CNT.

Problem rozwiązuje proponowana metoda oczyszczania wód powierzchniowych i gruntowych z tytanu i jego związków za pomocą CNTs, działająca ultradźwiękami o mocy 50 W przy częstotliwości ultradźwięków 42 kHz przez 1-15 minut.

Sposób przeprowadza się w następujący sposób. Adsorbent to jednościenna nanorurka węglowa zdolna do aktywnego oddziaływania z atomami tytanu i jego kationami (Ti, Ti +2, Ti +4).

Jeden gram nanorurek węglowych o czystości 98% dodaje się do 99 g wody w celu usunięcia Ti, Ti +2, Ti +4, a następnie całą zawartość umieszcza się w łaźni ultradźwiękowej UX-3560 i poddaje działaniu ultradźwięków przez 1-15 min za pomocą o mocy 50 W i częstotliwości ultradźwiękowej 42 kHz.

Po filtracji badane są próbki wody pobrane do analizy. Analiza emisji atomowej służy do określenia zawartości tytanu i jego związków w próbkach wody przed obróbką CNT oraz po obróbce próbek wody z CNT w kąpieli ultradźwiękowej.

Zaproponowaną „Metodę oczyszczania wód powierzchniowych i gruntowych z tytanu i jego związków za pomocą nanorurek węglowych i ultradźwięków” potwierdzają przykłady, które zostaną opisane poniżej.

Realizacja metody zgodnie z określonymi warunkami pozwala na uzyskanie absolutnie czystej wody o zerowej zawartości tytanu i jego związków (Ti, Ti+2, Ti+4).

Wynik techniczny uzyskuje się dzięki temu, że CNT działa jak kapilara, zasysając atomy Ti oraz kationy tytanu Ti+2 i Ti+4, których rozmiary są porównywalne z wewnętrzną średnicą CNT. Średnica CNT waha się od 4,8 Å do 19,6 Å, w zależności od warunków otrzymywania CNT.

Udowodniono eksperymentalnie, że wnęki CNT są aktywnie wypełniane różnymi pierwiastkami chemicznymi.

Ważną cechą odróżniającą CNT od innych znanych materiałów jest obecność wewnętrznej wnęki w nanorurki. Atom Ti i jego kationy Ti+2, Ti+4 wnikają do CNT pod wpływem ciśnienia zewnętrznego lub w wyniku efektu kapilarnego i są tam zatrzymywane dzięki siłom sorpcyjnym [Dyachkov P.N. Nanorurki węglowe: budowa, właściwości, zastosowanie. - M.: Binom. Laboratorium wiedzy, 2006. - 293 s.].

Umożliwia to selektywną adsorpcję przez nanorurki. Ponadto silnie zakrzywiona powierzchnia CNT umożliwia adsorbowanie na jej powierzchni dość złożonych atomów i cząsteczek, w szczególności Ti, Ti +2, Ti +4.

Jednocześnie wydajność nanorurek jest kilkadziesiąt razy wyższa niż aktywność adsorbentów grafitowych, które są obecnie najbardziej rozpowszechnionym sposobem oczyszczania. CNT mogą adsorbować zanieczyszczenia zarówno na powierzchni zewnętrznej, jak i wewnętrznej, co umożliwia selektywną adsorpcję.

Dlatego CNT można stosować do końcowego oczyszczania różnych cieczy z zanieczyszczeń o ultraniskich stężeniach.

CNT mają atrakcyjną wysoką powierzchnię właściwą materiału CNT, osiągając wartości 600 m2/g i więcej.

Tak wysoka powierzchnia właściwa, kilkukrotnie większa niż powierzchnia właściwa najlepszych nowoczesnych sorbentów, otwiera możliwość ich zastosowania do oczyszczania wód powierzchniowych i podziemnych z metali ciężkich, w szczególności Ti, Ti+2, Ti+ 4.

Synteza CNT. Wykorzystując instalację do syntezy nanorurek węglowych CVDomna uzyskano nanomateriał węglowy CNT, który wykorzystano do oczyszczania wód powierzchniowych i gruntowych z tytanu i jego związków.

Przeprowadzono eksperymentalne badania nad oczyszczaniem wody z tytanu i jego związków.

Aby określić optymalną ilość CNT, konieczne jest doprowadzenie zawartości tytanu i jego związków do ultramałych ilości. Stwierdzono takie stężenie CNTs iw kolejnych eksperymentach zastosowano optymalne stężenie w ilości 0,01 g na 1 l analizowanej wody.

Analiza emisji atomowej wykazała obecność atomowego Ti i jego kationów (Ti +2, Ti +4) w badanych próbkach wody, z czego można wnioskować, że to tytan oraz kationy Ti +2, Ti +4 oddziałują z węglem nanorurki. Promień atomu Ti wynosi 147 pm, tj. kationy tytanu mogą zarówno interkalować do wnęki nanorurki węglowej i być zaadsorbowane wewnątrz (ryc. 1), jak i na jej zewnętrznej powierzchni, tworząc również strukturę mostkową z atomami węgla o heksagonach (ryc. 2), tworząc połączone struktury molekularne.

Wprowadzenie Ti i jego kationów do wnęki CNT jest możliwe poprzez stopniowe zbliżanie się Ti do nanorurki wzdłuż jej głównej osi podłużnej oraz penetrację atomów tytanu i jego kationów do wnęki nanorurki z ich dalszą adsorpcją na wewnętrznej powierzchnia CNT. Znany jest również inny wariant adsorpcji Ti, zgodnie z którym jeden atom tytanu może tworzyć stabilne wiązania Ti-C z atomami węgla na zewnątrz nanorurki węglowej w dwóch prostych przypadkach, gdy Ti jest w 1/4 i 1/2 całości sześciokąty (ryc. 3) ...

Oznacza to, że adsorpcja tytanu i jego kationów na powierzchni CNT jest faktem nie tylko potwierdzonym teoretycznie, ale również potwierdzonym eksperymentalnie w badaniach.

Deklarowany sorbent jest konglomeratem jednościennych nanorurek węglowych zdolnych do aktywnego oddziaływania z tytanem i jego kationami, tworzenia trwałych wiązań oraz możliwości adsorpcji atomów tytanu i jego związków na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni CNT z tworzeniem mostków struktury z dwoma wiązaniami Ti-C, jeśli Ti +2 lub cztery dla Ti +4. Przy oczyszczaniu wody zanieczyszczonej tytanem i jego związkami stosuje się CNTs, tytan adsorbuje się na powierzchniach CNT pod wpływem sił van der Waalsa, czyli tytan i jego związki z wolnego atomu stają się kationami Ti+2 i Ti+4. związany w połączenie molekularne (ryc. 4).

Możliwość realizacji wynalazku ilustrują następujące przykłady.

Przykład 1. Wody gruntowe ze studni 1) o głębokości 40 m pobrano do badań zawartości jakościowego składu pierwiastkowego, a także do analizy ilościowej na zawartość tytanu i jego związków przed oczyszczaniem za pomocą CNT i po adsorpcji CNT i sonikacja. Czas ekspozycji na ultradźwięki wynosi 15 minut. Zawartość Ti i jego związków po oczyszczeniu wynosi 0% (tab. 2).

Przykład 2. Woda gruntowa ze studni 2) o głębokości 41 m, w przeciwieństwie do studni 1) woda ta znajdowała się w odległości 200 m od studni 1) Zbiornik Beresławskoje (Wołgograd). Czas ekspozycji na ultradźwięki wynosi 15 minut. Zawartość Ti i jego związków po oczyszczeniu wynosi 0% według niniejszego wynalazku (tabela 2).

Przykład 3. Woda pobrana z kranu (rejon Sowiecki, Wołgograd) była oczyszczana za pomocą CNT i ultradźwięków przez 15 minut, z mocą 50 W i częstotliwością roboczą ultradźwięków 42 kHz (Tabela 2).

Przykład 4. Wszystko jest takie samo jak w przykładzie 1, ale czas ekspozycji na ultradźwięki wynosi 1 min.

Przykład 5. Wody gruntowe ze studni 1) o głębokości 40 m pobrano do analizy na zawartość tytanu i jego związków, a następnie poddano oczyszczaniu według prototypu [Patent RU 2277013].

Czas ekspozycji na ultradźwięki wynosi 15 min (eksperyment 1, 2, 3, 5). Czas ekspozycji na ultradźwięki wynosi 1 min (eksperyment 4).

Do zalet deklarowanej metody opartej na CNT można zaliczyć bardzo wysoki stopień adsorpcja tytanu i jego związków. Zgodnie z wynikami eksperymentu, 100% oczyszczenia badanych wód z tytanu i jego związków odbywa się w optymalnych warunkach.

PRAWO

Metoda oczyszczania wód powierzchniowych i gruntowych z tytanu i jego związków za pomocą nanorurek węglowych (CNT) i ultradźwięków, obejmująca kontakt zanieczyszczonej wody z adsorbentami w celu wychwytywania metali ciężkich, charakteryzująca się zastosowaniem jako adsorbentu nanorurek węglowych, które umieszczane są w kąpiel ultradźwiękowa działająca na CNT i wodę oczyszczoną w trybie 1-15 min, o częstotliwości ultradźwięków 42 kHz i mocy 50 W.

Nanorurki węglowe są jutro innowacyjne technologie... Produkcja i wdrożenie nanotubulenów poprawi jakość towarów i produktów, znacznie zmniejszając ich wagę i zwiększając ich wytrzymałość, a także nadając im nowe właściwości.

Nanorurki węglowe lub nanostruktura rurkowa (nanotubulen) to jedno- lub wielościenne wydrążone cylindryczne struktury sztucznie wytworzone w warunkach laboratoryjnych, otrzymane z atomów węgla i posiadające wyjątkowe właściwości mechaniczne, elektrofizyczne i fizyczne.

Nanorurki węglowe składają się z atomów węgla i mają kształt rurek lub cylindrów. Są bardzo małe (w skali nano), mają średnicę od jednego do kilkudziesięciu nanometrów i długość do kilku centymetrów. Nanorurki węglowe składają się z grafitu, ale mają inne właściwości, które nie są nieodłączne od grafitu. Nie istnieją w naturze. Ich pochodzenie jest sztuczne. Ciało nanorurek jest syntetyczne, tworzone przez ludzi niezależnie od początku do końca.

Jeśli spojrzysz na nanorurki powiększone milion razy, zobaczysz wydłużony cylinder, składający się z równobocznych sześciokątów z atomami węgla na wierzchołkach. To grafitowa płaszczyzna zwinięta w rurkę. Chiralność nanorurki determinuje jej cechy fizyczne i właściwości.

Powiększona milion razy nanorurka jest wydłużonym cylindrem złożonym z równobocznych sześciokątów z atomami węgla na szczycie. To grafitowa płaszczyzna zwinięta w rurkę.

Chiralność jest właściwością cząsteczki, która nie łączy się w przestrzeni ze swoim lustrzanym odbiciem.

Mówiąc jaśniej, chiralność polega na tym, że np. kartkę papieru składasz równo. Jeśli ukośnie, to jest to achiralność. Nanotubuleny mogą mieć jedno- lub wielowarstwowe struktury. Struktura wielowarstwowa to nic innego jak kilka jednościennych nanorurek „ubranych” jedna po drugiej.

Historia odkryć

Dokładna data odkrycia nanorurek i ich odkrywca nie są znane. Ten temat jest pożywką dla kontrowersji i rozumowania, ponieważ istnieje wiele równoległych opisów tych struktur przez naukowców z różnych krajów. Główna trudność w identyfikacji odkrywcy polega na tym, że wpadające w pole widzenia naukowców nanorurki i nanowłókien długo nie przyciągały ich uwagi i nie były dokładnie badane. Istniejące prace naukowe dowodzą, że możliwość tworzenia nanorurek i włókien z materiałów zawierających węgiel była teoretycznie dopuszczona w drugiej połowie ubiegłego wieku.

Głównym powodem, dla którego od dawna nie prowadzono poważnych badań mikronowych związków węgla, jest to, że w tamtym czasie naukowcy nie mieli wystarczająco silnej bazy naukowej do badań, a mianowicie nie było sprzętu zdolnego do zwiększenia przedmiotu badań do w wymaganym zakresie i prześwitując przez ich strukturę...

Jeśli uporządkujemy wydarzenia w badaniach związków nanowęglowych w porządku chronologicznym, to pierwszy dowód pada na rok 1952, kiedy radzieccy naukowcy Radushkevich i Lukyanovich zwrócili uwagę na strukturę nanowłókna powstałą podczas termicznego rozkładu tlenku węgla (rosyjska nazwa to tlenek). . Struktura obserwowana za pomocą mikroskopu elektronowego miała włókna o średnicy około 100 nm. Niestety sprawa nie poszła dalej niż naprawienie niezwykłej nanostruktury i nie przeprowadzono dalszych badań.

Po 25 latach zaniedbań, od 1974 roku, do gazet zaczynają trafiać informacja o istnieniu rurowych struktur o mikronowych rozmiarach wykonanych z węgla. Tak więc grupa japońskich naukowców (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) podczas badań w latach 1974-1975. opinii publicznej przedstawiono wyniki szeregu ich badań, w których opisano cienkie rurki o średnicy poniżej 100 Å, które otrzymano z oparów podczas kondensacji. Również powstawanie pustych struktur z opisem struktury i mechanizmu powstawania uzyskanym w badaniu właściwości węgla opisali radzieccy naukowcy z Instytutu Katalizy Oddziału Syberyjskiego Akademii Nauk ZSRR w 1977 roku.

Å (Agström) to jednostka miary dla odległości równych 10−10 m. W układzie SI jednostką zbliżoną do angstrema jest nanometr (1 nm = 10 Å).

Fulereny to puste, kuliste cząsteczki w kształcie piłki lub piłki do rugby.

Fulereny to czwarta, wcześniej nieznana modyfikacja węgla, odkryta przez angielskiego chemika i astrofizyka Harolda Kroto

I dopiero po wykorzystaniu w swoich badaniach naukowych najnowocześniejszego sprzętu, który pozwala na szczegółowe zbadanie i przekazanie struktury węglowej nanorurek, japoński naukowiec Sumio Iijima przeprowadził w 1991 roku pierwsze poważne badania, w wyniku których udało się eksperymentalnie pozyskiwać nanorurki węglowe i szczegółowo je badać...

W swoich badaniach profesor Ijima, aby uzyskać prototyp, działał na rozpylony grafit za pomocą wyładowania łuku elektrycznego. Prototyp został dokładnie zmierzony. Jego wymiary wykazały, że średnica włókien (szkielet) nie przekracza kilku nanometrów, przy długości od jednego do kilku mikronów. Badając strukturę nanorurki węglowej, naukowcy odkryli, że badany obiekt może mieć od jednej do kilku warstw składających się z grafitowej sześciokątnej siatki opartej na sześciokątach. W tym przypadku końce nanorurek przypominają strukturalnie połowę przeciętej na pół cząsteczki fulerenu.

W czasie powyższych badań istniały już prace tak znanych naukowców w swojej dziedzinie jak Jones, L.A. Chernozatonsky, M.Yu. Korniłow, przewidujący możliwość powstania danej alotropowej formy węgla, opisujący jej strukturę, właściwości fizyczne, chemiczne i inne.

Wielowarstwowa struktura nanorurki to nic innego jak kilka jednowarstwowych nanotubulenów „ubranych” jedna po drugiej zgodnie z zasadą rosyjskiej lalki gniazdującej

Właściwości elektrofizyczne

Właściwości elektrofizyczne nanorurek węglowych są na etapie najintensywniejszych badań prowadzonych przez środowiska naukowe na całym świecie. Projektując nanorurki w określonych zależnościach geometrycznych, można nadać im właściwości przewodzące lub półprzewodnikowe. Na przykład diament i grafit są węglem, ale ze względu na różnicę w budowie cząsteczkowej mają różne, a w niektórych przypadkach przeciwne właściwości. Takie nanorurki nazywane są metalicznymi lub półprzewodnikowymi.

Nanorurki, które przewodzą prąd elektryczny nawet w temperaturze zera absolutnego, są metaliczne. Zerowa przewodność prądu elektrycznego przy zerze absolutnym, która wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, wskazuje na obecność nanostruktury półprzewodnikowej.

Główna klasyfikacja jest podzielona zgodnie z metodą toczenia płaszczyzny grafitowej. Metoda walcowania jest oznaczona dwiema liczbami: „m” i „n”, które wyznaczają kierunek walcowania wzdłuż wektorów sieci grafitu. Właściwości nanorurek zależą od geometrii toczenia płaszczyzny grafitu, np. kąt skręcenia bezpośrednio wpływa na ich właściwości elektrofizyczne.

W zależności od parametrów (n, m) nanorurki to: proste (achiralne), ząbkowane („fotelowe”), zygzakowate i spiralne (chiralne). Do obliczania i planowania przewodności elektrycznej stosuje się wzór na współczynnik parametrów: (n-m) / 3.

Otrzymana w obliczeniach liczba całkowita oznacza przewodnictwo nanorurki typu metalowego, a liczba ułamkowa - półprzewodnikowej. Na przykład wszystkie rurki fotela są metalowe. Nanorurki węglowe typu metalowego przewodzą prąd elektryczny do zera absolutnego. Nanotubuleny typu półprzewodnikowego mają zerową przewodność w zerze absolutnym, która wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Nanorurki o metalicznym typie przewodnictwa mogą w przybliżeniu przesyłać miliard amperów na centymetr kwadratowy. Miedź, będąc jednym z najlepszych przewodników metalicznych, jest ponad tysiąckrotnie gorsza od nanorurek w tych wskaźnikach. Po przekroczeniu granicy przewodnictwa następuje nagrzewanie, któremu towarzyszy topienie materiału i zniszczenie sieci molekularnej. Nie dzieje się tak z nanotubulenami w równych warunkach. Wynika to z ich bardzo wysokiej przewodności cieplnej, która dwukrotnie przewyższa diament.

Pod względem wytrzymałości nanotubulen pozostawia również daleko w tyle inne materiały. Jest 5–10 razy mocniejszy niż najmocniejsze stopy stali (1,28–1,8 TPa modulo Young) i ma elastyczność 100 tys. razy większą niż guma. Jeśli porównamy wskaźniki wytrzymałości na rozciąganie, to 20-22 razy przewyższają one podobne właściwości wytrzymałościowe stali wysokiej jakości!

Jak zdobyć UN

Nanorurki są produkowane metodami wysoko- i niskotemperaturowymi.

Metody wysokotemperaturowe obejmują ablację laserową, technologię słoneczną lub wyładowanie łuku elektrycznego. Proces niskotemperaturowy obejmuje chemiczne osadzanie z fazy gazowej z wykorzystaniem katalitycznego rozkładu węglowodorów, katalityczny wzrost w fazie gazowej z tlenku węgla, produkcję przez elektrolizę, obróbkę cieplną polimerów, lokalną pirolizę w niskiej temperaturze lub katalizę lokalną. Wszystkie metody są trudne do zrozumienia, zaawansowane technologicznie i bardzo drogie. Na produkcję nanorurek może pozwolić sobie tylko duże przedsiębiorstwo z potężną bazą naukową.

W uproszczeniu proces wytwarzania nanorurek z węgla metodą łukową wygląda następująco:

Plazma w stanie gazowym jest wstrzykiwana do reaktora ogrzanego do określonej temperatury z zamkniętą pętlą przez aparat wtryskowy. W reaktorze w górnej i dolnej części zainstalowane są cewki magnetyczne, z których jedna jest anodą, a drugą katodą. Do cewek magnetycznych dostarczany jest stały prąd elektryczny. Na plazmę w reaktorze wpływa łuk elektryczny, który jest obracany przez pole magnetyczne. Pod działaniem wysokotemperaturowego łuku elektroplazmowego z powierzchni anody, która składa się z materiału zawierającego węgiel (grafitu), węgiel odparowuje lub „wycieka” i kondensuje na katodzie w postaci nanorurek węglowych zawartych w osad. Aby atomy węgla uległy kondensacji na katodzie, temperatura w reaktorze jest obniżana. Parzysty krótki opis Technologia ta umożliwia ocenę złożoności i kosztów otrzymywania nanotubulenów. Minie dużo czasu, zanim proces produkcji i aplikacji stanie się dostępny dla większości przedsiębiorstw.

Galeria zdjęć: Schemat i sprzęt do otrzymywania nanorurek z węgla

Instalacja do syntezy jednościennych nanorurek węglowych metodą łuku elektrycznego Instalacja naukowa małej mocy do otrzymywania nanostruktury rurowej
Niskotemperaturowa metoda otrzymywania

Instalacja do produkcji długich nanorurek węglowych

Czy są toksyczne?

Zdecydowanie tak.

W trakcie badania laboratoryjne naukowcy doszli do wniosku, że nanorurki węglowe mają negatywny wpływ na organizmy żywe. To z kolei potwierdza toksyczność nanorurek i coraz mniej naukowców musi wątpić w tę ważną kwestię.

Badania wykazały, że bezpośrednia interakcja nanorurek węglowych z żywymi komórkami prowadzi do ich śmierci. Szczególnie jednościenne nanorurki mają silne działanie przeciwdrobnoustrojowe. Eksperymenty naukowcy zaczęli przeprowadzać na szeroko rozpowszechnionej kulturze królestwa bakterii (Escherichia coli) E-Coli. W procesie badań wykorzystano nanorurki jednościenne o średnicy od 0,75 do 1,2 nanometra. Jak wykazały eksperymenty, w wyniku oddziaływania nanorurek węglowych na żywą komórkę ściany komórkowe (membrany) ulegają mechanicznemu uszkodzeniu.

Nanorurki wytwarzane innymi metodami zawierają dużą ilość metali i innych toksycznych zanieczyszczeń. Wielu naukowców zakłada, że ​​sama toksyczność nanorurek węglowych nie zależy od ich morfologii, ale jest bezpośrednio związana z zawartymi w nich zanieczyszczeniami (nanorurkami). Jednak prace prowadzone przez naukowców z Yale w zakresie badań nad nanorurek wykazały błędne wyobrażenie wielu społeczności. Tak więc bakterie Escherichia coli (E-Coli) w trakcie badań poddano działaniu jednościennych nanorurek węglowych przez godzinę. W rezultacie większość E-Coli zmarła. Dane badawcze w dziedzinie nanomateriałów potwierdziły ich toksyczność i negatywny wpływ na organizmy żywe.

Naukowcy doszli do wniosku, że najbardziej niebezpieczne są nanorurki jednościenne, wynika to z proporcjonalnego stosunku długości nanorurki węglowej do jej średnicy.

Różne badania dotyczące wpływu nanorurek węglowych na organizm człowieka doprowadziły naukowców do wniosku, że efekt jest identyczny, jak w przypadku spożycia włókien azbestowych do organizmu. Stopień negatywnego oddziaływania włókien azbestowych zależy bezpośrednio od ich wielkości: im mniejszy, tym silniejszy negatywny wpływ. A w przypadku nanorurek węglowych nie ma wątpliwości co do ich negatywnego wpływu na organizm. Wchodząc do organizmu wraz z powietrzem, nanorurka osadza się w klatce piersiowej przez opłucną, powodując tym samym poważne powikłania, w szczególności guzy nowotworowe. Jeżeli wnikanie nanotubulen do organizmu następuje poprzez pokarm, to odkładają się one na ściankach żołądka i jelit, powodując różne choroby i powikłania.

Obecnie naukowcy prowadzą badania nad biologiczną kompatybilnością nanomateriałów oraz poszukują nowych technologii do bezpiecznej produkcji nanorurek węglowych.

Perspektywy

Nanorurki węglowe mają szeroki zakres zastosowań. Wynika to z faktu, że mają strukturę molekularną w postaci szkieletu, dzięki czemu mają właściwości odmienne od diamentu czy grafitu. To właśnie ze względu na ich charakterystyczne cechy (wytrzymałość, przewodność, zginanie) nanorurki węglowe są częściej stosowane w porównaniu z innymi materiałami.

Ten wynalazek węgla jest stosowany w elektronice, optyce, inżynierii mechanicznej itp. Nanorurki węglowe są stosowane jako dodatki do różnych polimerów i kompozytów w celu zwiększenia wytrzymałości związków molekularnych. W końcu wszyscy wiedzą, że sieć molekularna związków węgla ma niesamowitą wytrzymałość, zwłaszcza w czystej postaci.

Nanorurki węglowe wykorzystywane są również do produkcji kondensatorów oraz różnego rodzaju czujników, anod, które są niezbędne do produkcji baterii, jako absorber fal elektromagnetycznych. Ten związek węgla jest szeroko stosowany w produkcji sieci telekomunikacyjnych i wyświetlaczy ciekłokrystalicznych. Ponadto nanorurki są wykorzystywane jako wzmacniacz katalityczny w produkcji urządzeń oświetleniowych.

Aplikacja komercyjna

Rynek	Podanie	Właściwości kompozycji na bazie nanorurek węglowych
Samochody	Części układu paliwowego i przewody paliwowe (złącza, części pomp, oringi, rurki), zewnętrzne elementy karoserii do malowania elektrolitycznego (zderzaki, obudowy lusterek, korki wlewu paliwa)	Poprawiona równowaga właściwości w porównaniu do sadzy, możliwość recyklingu dużych części, odporność na odkształcenia
Elektronika	Narzędzia i urządzenia technologiczne, kasety na płytki półprzewodnikowe, przenośniki taśmowe, bloki łączące, wyposażenie do pomieszczeń czystych	Poprawiona czystość mieszanki w porównaniu do włókien węglowych, kontrola rezystywności powierzchniowej, skrawalność do odlewania cienkich części, odporność na odkształcenia, równowaga właściwości, alternatywne możliwości mieszanek tworzyw sztucznych w porównaniu z włóknami węglowymi

Nanorurki węglowe nie ograniczają się do określonych ram do stosowania w różne branże przemysł. Materiał został wynaleziony stosunkowo niedawno i dlatego jest obecnie szeroko stosowany w opracowaniach naukowych i badaniach w wielu krajach świata. Jest to konieczne do bardziej szczegółowego badania właściwości i właściwości nanorurek węglowych, a także do rozpoczęcia produkcji materiału na dużą skalę, ponieważ obecnie zajmuje on dość słabą pozycję na rynku.

Nanorurki węglowe służą do chłodzenia mikroprocesorów

Ze względu na dobre właściwości przewodzące, zastosowanie nanorurek węglowych w inżynierii mechanicznej ma szeroki zakres. Materiał ten wykorzystywany jest jako urządzenie do chłodzenia agregatów o masywnych gabarytach. Wynika to przede wszystkim z faktu, że nanorurki węglowe mają wysoką właściwą przewodność cieplną.

Wykorzystanie nanorurek w rozwoju technologii komputerowej odgrywa ważną rolę w przemyśle elektronicznym. Dzięki zastosowaniu tego materiału powstała produkcja do produkcji w miarę płaskich wyświetlaczy. Przyczynia się to do uwolnienia sprzętu komputerowego o kompaktowych wymiarach, ale jednocześnie parametry techniczne komputerów elektronicznych nie są tracone, a nawet zwiększone. Wykorzystanie nanorurek węglowych w rozwoju technologii komputerowych i w przemyśle elektronicznym pozwoli na uzyskanie kilkukrotnie przewyższającej Specyfikacja techniczna obecne analogi. Na podstawie tych badań powstają już kineskopy wysokonapięciowe.

Pierwszy procesor z nanorurek węglowych

Problemy z użytkowaniem

Jednym z problemów stosowania nanorurek jest negatywny wpływ na organizmy żywe, co poddaje w wątpliwość zastosowanie tego materiału w medycynie. Niektórzy eksperci spekulują, że w procesie masowej produkcji nanorurek węglowych może pojawić się niewypowiedziane ryzyko. Oznacza to, że w wyniku rozszerzenia obszarów zastosowań nanorurek pojawi się potrzeba ich produkcji na dużą skalę, a co za tym idzie nastąpi zagrożenie dla środowiska.

Naukowcy proponują poszukiwanie sposobów rozwiązania tego problemu poprzez zastosowanie bardziej przyjaznych środowisku metod i metod produkcji nanorurek węglowych. Sugerowano również, aby producenci tego materiału poważnie podeszli do kwestii „oczyszczenia” następstw technologii procesu CVD, co z kolei może wpłynąć na wzrost kosztów wytwarzanych produktów.

Zdjęcie negatywnego wpływu nanorurek na komórki a) komórki E. coli przed wpływem nanorurek; b) komórki po ekspozycji na nanorurki

We współczesnym świecie nanorurki węglowe wnoszą istotny wkład w rozwój innowacyjnych technologii. Eksperci przewidują wzrost produkcji nanorurek w najbliższych latach i spadek cen tych produktów. To z kolei rozszerzy zakres zastosowań nanorurek i zwiększy zapotrzebowanie konsumentów na rynku.

Posiadacze patentu RU 2430879:

Wynalazek dotyczy nanotechnologii i może być stosowany jako składnik materiałów kompozytowych. Wielowarstwowe nanorurki węglowe produkowane są w procesie pirolizy węglowodorów przy użyciu katalizatorów zawierających Fe, Co, Ni, Mo, Mn i ich kombinacje jako składniki aktywne oraz Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 jako nośniki. Powstałe nanorurki oczyszcza się przez gotowanie w roztworze kwasu chlorowodorowego, a następnie przemywanie wodą. Po obróbce kwasem ogrzewanie odbywa się w strumieniu argonu o wysokiej czystości w piecu z gradientem temperatury. W obszarze roboczym pieca temperatura wynosi 2200-2800 ° C. Na krawędziach pieca temperatura wynosi 900-1000 ° C. Wynalazek umożliwia otrzymanie wielowarstwowych nanorurek o zawartości zanieczyszczeń metalami poniżej 1 ppm. 3 rz. f-kryształy, 9 dwg., 3 tbl.

Wynalazek dotyczy dziedziny otrzymywania wielowarstwowych nanorurek węglowych (MCNT) o wysokiej czystości o zawartości zanieczyszczeń metalami poniżej 1 ppm, które mogą być stosowane jako składniki materiałów kompozytowych do różnych celów.

Do masowej produkcji MCNT stosuje się metody oparte na pirolizie węglowodorów lub tlenku węgla w obecności katalizatorów metalicznych na bazie metali z podgrupy żelaza [TW Ebbesen // Nanorurki węglowe: Przygotowanie i właściwości, CRC Press, 1997, s. .139-161; V. Shanov, Yeo-Heung Yun, MJ Schuiz // Synteza i charakterystyka materiałów z nanorurek węglowych (przegląd) // Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2006, nr 4, t. 41, s. 377-390 ; J.W.Seo; A. Magreza; p. Milasa; K. Lee, V Lukovac, L. Forro // Katalitycznie hodowane nanorurki węglowe: od syntezy do toksyczności // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, t. 40, n. 6]. Z tego powodu otrzymane za ich pomocą MWCNT zawierają zanieczyszczenia metaliczne stosowanych katalizatorów. Jednocześnie w szeregu zastosowań, np. do tworzenia urządzeń elektrochemicznych i otrzymywania materiałów kompozytowych o różnym przeznaczeniu, wymagane są MWCNT o wysokiej czystości, które nie zawierają zanieczyszczeń metalami. MWCNT o wysokiej czystości są wymagane przede wszystkim do uzyskania materiałów kompozytowych poddawanych obróbce w wysokiej temperaturze. Wynika to z faktu, że wtrącenia nieorganiczne mogą być katalizatorami lokalnej grafityzacji i w efekcie inicjować powstawanie nowych defektów w strukturze węgla [AS Fialkov // Carbon, związki międzywarstwowe i oparte na nim kompozyty, Aspect Press, Moskwa , 1997, s.588-602]. Mechanizm katalitycznego działania cząstek metalu opiera się na interakcji atomów metalu z matrycą węglową z powstawaniem cząstek metal-węgiel, a następnie uwolnieniem nowych formacji grafitopodobnych, które mogą zniszczyć strukturę kompozytu. Dlatego nawet niewielkie domieszki metali mogą prowadzić do naruszenia jednorodności i morfologii materiału kompozytowego.

Najczęstsze metody usuwania zanieczyszczeń z katalitycznych nanorurek węglowych opierają się na ich obróbce mieszaniną kwasów o różnym stężeniu podczas ogrzewania, a także w połączeniu z narażeniem na promieniowanie mikrofalowe. Jednak główną wadą tych metod jest zniszczenie ścianek nanorurek węglowych w wyniku ekspozycji na silne kwasy, a także pojawienie się na ich powierzchni dużej liczby niepożądanych grup funkcyjnych zawierających tlen, co komplikuje selekcję warunków do kwasowania. W tym przypadku czystość otrzymanych MWCNT wynosi 96-98% wag., ponieważ cząstki metalu katalizatora są zamknięte w wewnętrznej wnęce nanorurki węglowej i są niedostępne dla odczynników.

Wzrost czystości MCNTs można osiągnąć poprzez ich podgrzanie w temperaturach powyżej 1500 °C przy zachowaniu struktury i morfologii nanorurek węglowych. Metody te umożliwiają nie tylko oczyszczenie MWCNTs z zanieczyszczeń metalicznych, ale również przyczyniają się do uporządkowania struktury nanorurek węglowych dzięki wyżarzaniu drobnych defektów, wzrostowi modułu Younga, zmniejszeniu odległości między warstwami grafitu oraz także usuwanie tlenu powierzchniowego, co dodatkowo zapewnia bardziej równomierną dyspersję nanorurek węglowych w matrycy polimerowej, co jest niezbędne do uzyskania lepszej jakości materiałów kompozytowych. Kalcynacja w temperaturze ok. 300°C prowadzi do powstania dodatkowych defektów w strukturze nanorurek węglowych oraz rozwoju już istniejących defektów. Należy zauważyć, że czystość nanorurek węglowych otrzymanych opisanymi metodami nie przekracza 99,9%.

Wynalazek rozwiązuje problem opracowania metody oczyszczania wielowarstwowych nanorurek węglowych otrzymywanych przez katalityczną pirolizę węglowodorów, z niemal całkowitym usunięciem zanieczyszczeń katalizatora (do 1 ppm), a także zanieczyszczeń innych związków, które mogą pojawić się podczas kwasowania MCNTs. , przy zachowaniu morfologii nanorurek węglowych.

Problem rozwiązuje metoda oczyszczania wielowarstwowych nanorurek węglowych otrzymanych w procesie pirolizy węglowodorów przy użyciu katalizatorów zawierających jako składniki aktywne Fe, Co, Ni, Mo, Mn i ich kombinacje, a także Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 jako nośniki, które odbywa się wrzenie w roztworze kwasu solnego z dalszym płukaniem wodą, po obróbce kwasem ogrzewanie odbywa się w strumieniu argonu o wysokiej czystości w piecu o gradiencie temperatury, w obszarze roboczym temperatura wynosi 2200-2800 °C, na krawędziach pieca temperatura wynosi 900-1000 °C, w wyniku czego otrzymuje się wielowarstwowe nanorurki o zawartości zanieczyszczeń metalami poniżej 1 ppm.

Ogrzewanie odbywa się w ampułkach wykonanych z grafitu o wysokiej czystości.

Czas nagrzewania w strumieniu argonu to np. 15-60 minut.

Zastosowano argon o czystości 99,999%.

Istotną różnicą w metodzie jest zastosowanie do czyszczenia MCNTs pieca z gradientem temperatury, w którym zanieczyszczenia metalowe odparowują w strefie gorącej, a cząstki metalu kondensują w postaci małych kulek w strefie zimnej. Do przenoszenia oparów metali stosuje się przepływ argonu o wysokiej czystości (o czystości 99,999%) z natężeniem przepływu gazu około 20 l/h. Piec wyposażony jest w specjalne uszczelki zapobiegające narażeniu na działanie gazów atmosferycznych.

Wstępna desorpcja wody i tlenu z powietrza z powierzchni MWCNT oraz ampułka grafitowa, w której próbka umieszczana jest w piecu grafitowym oraz przedmuchiwanie ich argonem o wysokiej czystości pozwala uniknąć efektu reakcji transportu gazu z udziałem gazów zawierających wodór i tlen na oczyszczanych MWCNT, co prowadzi do redystrybucji węgla między jego wysoce rozproszonymi formami a dobrze skrystalizowanymi formami grafitopodobnymi o niskiej energii powierzchniowej (VLKuznetsov, Yu.V. Butenko, VIZaikovskii i ALChuvilin // Procesy redystrybucji węgla w nanowęglach // Carbon 42 (2004) s. 1057-1061; AS Fialkov // Procesy i urządzenia do produkcji proszków węglowo-grafitowych, Aspect Press, Moskwa, 2008, s. 510-514).

Katalityczne wielowarstwowe nanorurki węglowe otrzymywane są w procesie pirolizy węglowodorów przy użyciu katalizatorów zawierających Fe, Co, Ni, Mo i ich kombinacje jako składniki aktywne oraz Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 jako nośniki (T.W. Ebbesen // Nanorurki węglowe: Przygotowanie and properties, CRC Press, 1997, s. 139-161; V. Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // Synteza i charakterystyka materiałów z nanorurek węglowych (przegląd) // Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2006, No. 4, v.41, p.377-390; JWSeo; A. Magrez; M. Milas; K. Lee, V Lukovac, L. Forro // Katalitycznie hodowane nanorurki węglowe: od syntezy do toksyczności // Journal of Physics D (Fizyka Stosowana), 2007, t. 40, n. 6).

W proponowanej metodzie, dla wykazania możliwości usunięcia zanieczyszczeń z najbardziej typowych metali, przeprowadza się oczyszczanie dla dwóch typów MWCNTs syntetyzowanych na katalizatorach Fe-Co/Al 2 O 3 i Fe-Co/CaCO 3 zawierających Fe i Co w stosunek 2:1. Jedną z najważniejszych cech zastosowania tych katalizatorów jest brak innych faz węglowych w zsyntetyzowanych próbkach, z wyjątkiem MWCNT. W obecności katalizatora Fe-Co/Al 2 O 3 otrzymuje się MCNT o średniej średnicy zewnętrznej 7-10 nm, a w obecności katalizatora Fe-Co/CaCO 3 MCNT o dużej średniej średnicy zewnętrznej uzyskano - 22-25 nm.

Otrzymane próbki bada się metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej, rentgenowskiej fluorescencji spektralnej na analizatorze ARL-Advant "x z anodą lampy rentgenowskiej Rh (dokładność pomiaru ± 10%), a powierzchnia właściwa próbek jest mierzona za pomocą Metoda ZAKŁADU.

Zgodnie z danymi TEM, początkowe próbki składają się z wysoce wadliwych MWCNT (ryc. 1, 6). Fragmenty rurek w rejonie zagięć mają gładkie, zaokrąglone kontury; na powierzchni rurek obserwuje się dużą liczbę formacji podobnych do fulerenów. Grafenopodobne warstwy nanorurek charakteryzują się obecnością dużej liczby defektów (pęknięcia, związki typu Y itp.). W niektórych sekcjach rurek występuje rozbieżność w liczbie warstw po różnych stronach MWCNT. To ostatnie wskazuje na obecność otwartych rozszerzonych warstw grafenu, głównie zlokalizowanych wewnątrz rurek. Obrazy z mikroskopu elektronowego nagrzanych MWCNT w strumieniu argonu o wysokiej czystości w temperaturze 2200 °C - Rys. 2, 7; 2600 ° C - ryc. 3, 8; 2800 °C - Rys. 4, 5, 9. W próbkach po kalcynacji obserwuje się gładsze MWCNT z mniejszą liczbą defektów zarówno wewnętrznych, jak i przypowierzchniowych. Rurki składają się z prostoliniowych fragmentów rzędu setek nanometrów z wyraźnymi załamaniami. Wraz ze wzrostem temperatury kalcynacji zwiększają się wymiary odcinków prostych. Ilość warstw grafenu w ściankach rur z różnych stron staje się taka sama, co sprawia, że ​​struktura MWCNT jest bardziej uporządkowana. Wewnętrzna powierzchnia rurek również ulega znacznym zmianom - usuwane są drobinki metalu, wewnętrzne przegrody stają się bardziej uporządkowane. Ponadto końce rurek są zamknięte - warstwy grafenowe tworzące rurki są zamknięte.

Kalcynacja próbek w temperaturze 2800 °C prowadzi do powstania niewielkiej ilości powiększonych cylindrycznych formacji węglowych składających się z warstw grafenowych zagnieżdżonych jedna w drugiej, co może wiązać się z przenoszeniem węgla na krótkie odległości ze względu na wzrost prężności par grafitu .

Badania próbek początkowych i nagrzanych MWCNT metodą spektralnej fluorescencji rentgenowskiej wykazały, że po nagrzaniu próbek wielowarstwowych nanorurek węglowych w temperaturach w zakresie 2200-2800 °C zmniejsza się ilość zanieczyszczeń, co również jest potwierdzone metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Ogrzewanie próbek MWCNT w temperaturze 2800 °C zapewnia prawie całkowite usunięcie zanieczyszczeń z próbek. Usuwa to nie tylko zanieczyszczenia metaliczne katalizatora, ale także zanieczyszczenia innych pierwiastków, które dostają się do MWCNT na etapach obróbki kwasowej i mycia. W początkowych próbkach stosunek żelaza do kobaltu jest w przybliżeniu równy 2:1, co odpowiada początkowemu składowi katalizatorów. Zawartość glinu w oryginalnych rurkach uzyskanych na próbkach katalizatora Fe-Co/Al 2 O 3 jest niska, co wiąże się z jego usunięciem podczas obróbki nanorurek kwasem, gdy katalizator jest wypłukiwany. Wyniki badań zawartości zanieczyszczeń metodą rentgenowskiej fluorescencji spektralnej przedstawiono w tabelach 1 i 2.

Pomiar powierzchni właściwej metodą BET wykazał, że wraz ze wzrostem temperatury powierzchnia właściwa próbek MWCNT zmienia się nieznacznie, przy zachowaniu struktury i morfologii nanorurek węglowych. Według danych TEM, zmniejszenie powierzchni właściwej może być związane zarówno z zamknięciem końców MCNTs, jak i zmniejszeniem liczby defektów powierzchni. Wraz ze wzrostem temperatury możliwy jest nieznaczny udział powiększonych formacji cylindrycznych o zwiększonej liczbie warstw i stosunku długości do szerokości wynoszącym w przybliżeniu 2-3, co również przyczynia się do zmniejszenia powierzchni właściwej. Wyniki badań powierzchni właściwej przedstawiono w tabeli 3.

Istotę wynalazku ilustrują następujące przykłady, tabele (tabele 1-3) i ilustracje (rysunki 1-9).

Odważoną porcję MWCNT (10 g), otrzymaną przez pirolizę etylenu w obecności katalizatora Fe-Co/Al 2 O 3 w przepływowym reaktorze kwarcowym w temperaturze 650-750 °C, umieszcza się w ampułka grafitowa o wysokości 200 mm i średnicy zewnętrznej 45 mm i zamknięta wieczkiem (o średnicy 10 mm) z otworem (o średnicy 1-2 mm). Ampułkę z grafitu umieszcza się w kwarcowej ampułce i za pomocą pompy próżniowej wypompowuje się powietrze do ciśnienia co najmniej 10 -3 Torr, a następnie przedmuchuje argonem o wysokiej czystości (czystość 99,999%), najpierw w temperaturze pokojowej, a następnie przy temperatura 200-230 ° C w celu usunięcia grup powierzchniowych zawierających tlen i śladów wody. Próbkę ogrzewa się w temperaturze 2200 °C przez 1 godzinę w strumieniu argonu o wysokiej czystości (~20 l/h) w piecu z gradientem temperatury, gdzie temperatura w strefie roboczej utrzymuje się na poziomie 2200 °C, a na krawędziach pieca temperatura wynosi 900-1000 ° C. Atomy metalu odparowujące z MWCNT podczas ogrzewania są usuwane z gorącej części pieca do zimnej przez przepływ argonu, gdzie metal osadza się w postaci małych kulek.

Po kalcynacji otrzymany materiał bada się metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej oraz rentgenowskiej fluorescencji spektralnej. Rysunek 1 przedstawia obrazy z mikroskopu elektronowego oryginalnych MWCNT, rysunek 2 – podgrzewane w temperaturze 2200 ° C MWCNT. Metoda BET służy do określenia powierzchni właściwej próbek MWCNT przed i po kalcynacji. Uzyskane dane wskazują na nieznaczny spadek powierzchni właściwej próbek po kalcynacji w porównaniu z powierzchnią właściwą oryginalnej próbki MWCNT.

Podobnie jak w przykładzie 1, charakteryzującym się tym, że próbka oryginalnych MWCNT jest podgrzewana w temperaturze 2600 °C przez 1 h w strumieniu argonu o wysokiej czystości (~20 l/h) w piecu z gradientem temperatury, gdzie temperatura w strefa robocza utrzymuje się na poziomie 2600 ° C, przy krawędziach pieca temperatura wynosi 900-1000 ° C. Obrazy nagrzanych MWCNT uzyskane za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej przedstawiono na ryc. 3. Obrazy TEM o wysokiej rozdzielczości pokazują zamknięte końce nanorurek.

Podobnie jak w przykładzie 1, charakteryzującym się tym, że próbka oryginalnych MWCNTs jest podgrzewana w 2800 ° C przez 15 min w przepływie argonu o wysokiej czystości (~20 l/h) w piecu z gradientem temperatury, gdzie temperatura w strefa robocza utrzymuje się na poziomie 2800 °C, przy krawędziach pieca temperatura wynosi 900-1000 °C. Obrazy nagrzanych MWCNT uzyskane za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej przedstawiono na ryc. 4.

Kalcynacja w 2800 ° C prowadzi do powstania niewielkiej liczby powiększonych formacji cylindrycznych o zwiększonej liczbie warstw i stosunku długości do szerokości około 2-3. Te powiększenia są widoczne na obrazach TEM (ryc. 5).

Analogicznie do przykładu 1, charakteryzujący się tym, że wyjściowe MWCNTs otrzymano w obecności katalizatora Fe —Co/CaCO3. Obrazy początkowych MWCNT i MWCNT podgrzanych w temperaturze 2200 ° C, otrzymane za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej, pokazano odpowiednio na rys. 6, 7. Obrazy TEM początkowych MWCNT pokazują cząstki metalu zamknięte w kanałach rurek (oznaczone strzałkami).

Podobnie jak w przykładzie 4, charakteryzującym się tym, że próbka oryginalnego MWCNT jest podgrzewana do 2600 °C. Obrazy nagrzanych MWCNT uzyskane za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej przedstawiono na ryc. 8. Obrazy TEM o wysokiej rozdzielczości pokazują zamknięte końce nanorurek.

Analogicznie do przykładu 4, charakteryzujący się tym, że próbka pierwotnego MWCNT jest podgrzewana w 2800 °C przez 15 minut. Obrazy nagrzanych MWCNT uzyskane za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej przedstawiono na ryc. 9. Zdjęcia pokazują powstawanie znikomego udziału rozszerzeń.

Tabela 1
Dane rentgenowskiej fluorescencji spektralnej zawartości zanieczyszczeń w MWCNTs po podgrzaniu, uzyskane przy użyciu katalizatora Fe-Co/Al 2 O 3
Element
Początkowe MWCNT	MWCNT_2200 ° С przykład 1	MWCNT_2600 ° C przykład 2	MWCNT_2800 ° C przykład 3
Fe	0.136	0.008	ślady stóp	ślady stóp
Z	0.0627	ślady stóp	ślady stóp	ślady stóp
Glin	0.0050	ślady stóp	ślady stóp	ślady stóp
Ca	ślady stóp	0.0028	0.0014	ślady stóp
Ni	0.0004	ślady stóp	ślady stóp	ślady stóp
Si	0.0083	0.0076	ślady stóp	Nie
Ti	Nie	0.0033	ślady stóp	ślady stóp
S	ślady stóp	Nie	Nie	Nie
Cl	0.111	Nie	Nie	Nie
Sn	0.001	0.001	ślady stóp	ślady stóp
Ba	Nie	Nie	Nie	Nie
Cu	0.001	0.001	ślady stóp	ślady stóp
ślady - zawartość pierwiastków poniżej 1 ppm

Tabela 2
Dane rentgenowskiej fluorescencji spektralnej dotyczące zawartości zanieczyszczeń w MWCNTs po podgrzaniu, uzyskane przy użyciu katalizatora Fe-Co/CaCO 3
Element	Szacowanie zawartości zanieczyszczeń, % wag.
Początkowe MWCNT	MWCNT_2200 ° C przykład 4	MWNT_2600 ° C przykład 5	MWCNT_2800 ° C przykład 6
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
Z	0.0936	ślady stóp	ślady stóp	ślady stóp
Glin	0.0048	ślady stóp	ślady stóp	ślady stóp
Ca	0.0035	0.005	0.0036	ślady stóp
Ni	0.0003	ślady stóp	ślady stóp	ślady stóp
Si	0.0080	0.0169	0.0098	ślady stóp
Ti	Nie	ślady stóp	0.0021	0.0005
S	0.002	Nie	Nie	Nie
Cl	0.078	Nie	Nie	Nie
Sn	0.0005	ślady stóp	ślady stóp	ślady stóp
Ba	0.008	Nie	Nie	Nie
Cu	ślady stóp	ślady stóp	ślady stóp	ślady stóp

Tabela 3
Powierzchnia właściwa BET początkowych i podgrzanych próbek MWCNT
Próbka MWCNT (katalizator)	Uderzenia S, m 2 / g (± 2,5%)
MWNT_ish (Fe-Co / Al 2 O 3)	390
MWNT_2200 (Fe-Co / Al 2 O 3) przykład 1	328
MWNT_2600 (Fe-Co / Al 2 O 3) przykład 2	302
MWNT_2800 (Fe-Co / Al 2 O 3) przykład 3	304
MWNT_inx (Fe-Co / CaCO 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co / CaCO 3) przykład 4	134
MWCNT_2600 (Fe-Co / CaCO 3) przykład 5	140
MWCNT_2800 (Fe-Co / CaCO 3) przykład 6	134

Podpisy pod rysunkami:

Rys. 1. Obrazy z mikroskopu elektronowego początkowej próbki MCNT zsyntetyzowanej na katalizatorze Fe-Co/Al 2 O 3 . Po lewej - obraz TEM o niskiej rozdzielczości. Po prawej, na dole - obraz TEM w wysokiej rozdzielczości, który pokazuje uszkodzone ściany MWCNT.

Rys. 2. Obrazy z mikroskopu elektronowego próbki MWCNT, podgrzanej w temperaturze 2200 °C, zsyntetyzowanej na katalizatorze Fe-Co/Al 2 O 3 . Po lewej - obraz TEM o niskiej rozdzielczości. Po prawej, na dole - obraz TEM w wysokiej rozdzielczości. Struktura MWCNT staje się mniej wadliwa, końce nanorurek są zamknięte.

Rys. 3. Obrazy z mikroskopu elektronowego próbki MCNT podgrzanej w temperaturze 2600 °C, zsyntetyzowanej na katalizatorze Fe-Co/Al 2 O 3 . Po lewej - obraz TEM o niskiej rozdzielczości. Po prawej, poniżej, obraz TEM w wysokiej rozdzielczości pokazujący zamknięte końce MWCNT. Ściany MWCNT stają się gładsze i mniej wadliwe.

Rys. 4. Obrazy z mikroskopu elektronowego próbki MWCNT, podgrzanej w temperaturze 2800 °C, zsyntetyzowanej na katalizatorze Fe-Co/Al 2 O 3 . Po lewej - obraz TEM o niskiej rozdzielczości. Po prawej, na dole - obraz TEM o wysokiej rozdzielczości pokazujący mniej wadliwych ścian MWCNT.

Rys. 5. Obrazy z mikroskopu elektronowego próbki MWCNT nagrzanej do temperatury 2800 °C, zsyntetyzowanej na katalizatorze Fe-Co/Al 2 O 3, odzwierciedlające pojawienie się defektów w strukturze MWCNT, które są cylindrycznymi formacjami składającymi się z zagnieżdżonych warstw grafenu, które są wyświetlane na prawym górnym obrazie TEM o wysokiej rozdzielczości.

Rys. 6. Obrazy z mikroskopu elektronowego początkowej próbki MWCNT zsyntetyzowanej na katalizatorze Fe-Co/CaCO 3 . Po lewej - obraz TEM o niskiej rozdzielczości. Po prawej, na dole - obraz TEM w wysokiej rozdzielczości, który pokazuje nierówną powierzchnię MWCNT. W prawym górnym rogu widoczne są cząstki katalizatora zamknięte w kanałach nanorurek węglowych (oznaczone strzałkami).

Rys. 7. Obrazy z mikroskopu elektronowego próbki MWCNT, podgrzanej w temperaturze 2200 °C, zsyntetyzowanej na katalizatorze Fe-Co/CaCO 3 . Po lewej - obraz TEM o niskiej rozdzielczości. Po prawej, na dole - obraz TEM o wysokiej rozdzielczości pokazujący gładsze ściany MWCNT.

Rys. 8. Obrazy z mikroskopu elektronowego próbki MWCNT, podgrzanej w temperaturze 2600 °C, zsyntetyzowanej na katalizatorze Fe-Co/CaCO 3 . Po lewej - obraz TEM o niskiej rozdzielczości. Po prawej, poniżej, obraz TEM w wysokiej rozdzielczości pokazujący zamknięte końce MWCNT. Ściany MWCNT stają się gładsze i mniej wadliwe.

Rys. 9. Obrazy z mikroskopu elektronowego próbki MWCNT, podgrzanej w temperaturze 2800 °C, zsyntetyzowanej na katalizatorze Fe-Co/CaCO 3 . Po lewej - obraz TEM o niskiej rozdzielczości. Po prawej, na dole - obraz TEM w wysokiej rozdzielczości.

1. Sposób oczyszczania wielowarstwowych nanorurek węglowych otrzymanych w procesie pirolizy węglowodorów z zastosowaniem katalizatorów zawierających jako składniki aktywne Fe, Co, Ni, Mo, Mn i ich kombinacje oraz Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 - jako nośniki, gotowanie w roztworze kwasu solnego z dalszym płukaniem wodą, charakteryzujący się tym, że po zakwaszeniu ogrzewanie prowadzi się w strumieniu argonu o wysokiej czystości w piecu o gradiencie temperaturowym, gdzie temperatura w obszarze roboczym wynosi 2200-2800 °C, na krawędziach pieca temperatura wynosi 900-1000 °C, w wyniku czego otrzymuje się wielowarstwowe nanorurki o zawartości zanieczyszczeń metalami poniżej 1 ppm.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ogrzewanie prowadzi się w ampułkach wykonanych z grafitu o wysokiej czystości.

Oczyszczanie nanorurek węglowych

Żadna z powszechnych metod wytwarzania CNT nie pozwala na ich izolację w czystej postaci. Fulereny, węgiel amorficzny, cząstki grafityzowane, cząstki katalizatora mogą być zanieczyszczeniami NT.

Stosowane są trzy grupy metod oczyszczania CNT:

destrukcyjny,

nieniszczący,

łączny.

Metody niszczące wykorzystują reakcje chemiczne, które mogą być utleniające lub redukcyjne i opierają się na różnicach w reaktywności różnych form węgla. Do utleniania stosuje się roztwory środków utleniających lub odczynników gazowych, do redukcji - wodór. Metody pozwalają na izolację CNT o wysokiej czystości, ale wiążą się ze stratami w rurkach.

Metody nieniszczące obejmują ekstrakcję, flokulację i selektywne wytrącanie, mikrofiltrację z przepływem krzyżowym, chromatografię wykluczania rozmiarów, elektroforezę, selektywne oddziaływanie z polimerami organicznymi. Z reguły metody te są nieefektywne i nieskuteczne.

Właściwości nanorurek węglowych

Mechaniczny. Nanorurki, jak zostało powiedziane, to niezwykle mocny materiał, zarówno pod względem rozciągania, jak i zginania. Co więcej, pod działaniem naprężeń mechanicznych przekraczających krytyczne, nanorurki nie ulegają „rozdzieraniu”, ale przegrupowaniu. Opierając się na takiej właściwości nanorurek, jak wysoka wytrzymałość, można argumentować, że są one obecnie najlepszym materiałem na kabel do windy kosmicznej. Jak pokazują wyniki eksperymentów i symulacja numeryczna Moduł Younga jednościennej nanorurki osiąga wartości rzędu 1-5 TPa, czyli o rząd wielkości wyższe niż w przypadku stali. Poniższy wykres przedstawia porównanie jednościennej nanorurki i stali o wysokiej wytrzymałości.

1 - Kabel windy kosmicznej, zgodnie z obliczeniami, musi wytrzymać naprężenie mechaniczne 62,5 GPa

2 - Wykres naprężeń (zależność naprężenia mechanicznego y od wydłużenia względnego e)

Aby zademonstrować istotną różnicę między najtrwalszymi ten moment materiałów i nanorurek węglowych, przeprowadźmy następujący eksperyment myślowy. Wyobraź sobie, że jak założono wcześniej, jednorodna konstrukcja w kształcie klina, składająca się z najtrwalszych materiałów, posłuży jako kabel do windy kosmicznej, średnica kabla dla GEO (geostacjonarna orbita okołoziemska) wyniesie około 2 km i zawęzi się do 1 mm na powierzchni Ziemi. W takim przypadku całkowita masa wyniesie 60 * 1010 ton. Gdyby jako materiał zastosowano nanorurki węglowe, to średnica kabla GEO wynosiłaby 0,26 mm i 0,15 mm na powierzchni Ziemi, w związku z czym całkowita masa wynosiłaby 9,2 tony. Jak widać z powyższych faktów, nanowłókno węglowe jest właśnie materiałem, który jest potrzebny do zbudowania kabla, którego rzeczywista średnica wyniesie około 0,75 m, aby wytrzymać również system elektromagnetyczny używany do poruszania kabiny windy kosmicznej.

Elektryczny. Ze względu na niewielkie rozmiary nanorurek węglowych dopiero w 1996 roku możliwe było bezpośrednie zmierzenie ich oporności elektrycznej metodą czterostykową.

Złote paski zostały nałożone na wypolerowaną powierzchnię tlenku krzemu w próżni. Między nimi osadzono nanorurki o długości 2–3 µm. Następnie na jedną z wybranych do pomiaru nanorurek nałożono 4 przewodniki wolframowe o grubości 80 nm. Każdy z przewodników wolframowych miał kontakt z jednym ze złotych pasków. Odległość między stykami na nanorurki wahała się od 0,3 do 1 μm. Wyniki pomiarów bezpośrednich wykazały, że rezystywność nanorurek może zmieniać się w znacznych granicach - od 5,1*10 -6 do 0,8 Ohm/cm. Minimalna rezystywność jest o rząd wielkości mniejsza niż w przypadku grafitu. Większość nanorurek ma przewodnictwo metaliczne, podczas gdy mniejsza część wykazuje właściwości półprzewodnika z przerwą energetyczną od 0,1 do 0,3 eV.

Francuscy i rosyjscy badacze (z IPTM RAS, Chernogolovka) odkryli inną właściwość nanorurek, taką jak nadprzewodnictwo. Zmierzyli charakterystykę prądowo-napięciową pojedynczej jednościennej nanorurki o średnicy ~ 1 nm, zwiniętej w wiązkę dużej liczby jednościennych nanorurek, a także pojedynczych nanorurek wielowarstwowych. Pomiędzy dwoma metalowymi stykami nadprzewodzącymi zaobserwowano prąd nadprzewodzący w temperaturach zbliżonych do 4K. Cechy transferu ładunku w nanorurki różnią się znacznie od cech charakterystycznych dla konwencjonalnych przewodników trójwymiarowych i najwyraźniej można je wytłumaczyć jednowymiarowym charakterem transferu.

Również de Gere z Uniwersytetu w Lozannie (Szwajcaria) odkrył interesującą właściwość: gwałtowną (około dwóch rzędów wielkości) zmianę przewodności przy niewielkim wygięciu o 5-10 ° jednościennej nanorurki. Ta właściwość może poszerzyć pole zastosowań nanorurek. Z jednej strony nanorurka okazuje się gotowym, bardzo czułym przetwornikiem drgań mechanicznych na sygnał elektryczny i odwrotnie (w rzeczywistości jest to rurka telefoniczna o długości kilku mikronów i średnicy około nanometra), oraz z drugiej strony jest to prawie gotowy czujnik najmniejszych odkształceń. Taki czujnik mógłby znaleźć zastosowanie w urządzeniach monitorujących stan zespołów mechanicznych i części, od których zależy bezpieczeństwo ludzi, np. pasażerowie pociągów i samolotów, personel elektrowni jądrowych, cieplnych itp.

Kapilarny. Eksperymenty wykazały, że otwarta nanorurka ma właściwości kapilarne. Aby otworzyć nanorurki, musisz zdjąć górną część - pokrywkę. Jedna z metod usuwania polega na wyżarzaniu nanorurek w temperaturze 850 0 C przez kilka godzin w strumieniu dwutlenku węgla. W wyniku utleniania około 10% wszystkich nanorurek jest otwartych. Innym sposobem na zniszczenie zamkniętych końców nanorurek jest ekspozycja w stężonym kwasie azotowym przez 4,5 godziny w temperaturze 2400 C. W wyniku tej obróbki 80% nanorurek otwiera się.

Pierwsze badania zjawisk kapilarnych wykazały, że ciecz wnika do kanału nanorurki, jeśli jej napięcie powierzchniowe nie przekracza 200 mN/m. Dlatego do wprowadzania jakichkolwiek substancji do nanorurek stosuje się rozpuszczalniki o niskim napięciu powierzchniowym. Na przykład do wprowadzenia niektórych metali do kanału nanorurek stosuje się stężony kwas azotowy, którego napięcie powierzchniowe jest niskie (43 mN / m). Następnie prowadzi się wyżarzanie w temperaturze 4000 C przez 4 godziny w atmosferze wodoru, co prowadzi do redukcji metalu. W ten sposób otrzymano nanorurki zawierające nikiel, kobalt i żelazo.

Wraz z metalami nanorurki węglowe mogą być wypełnione substancjami gazowymi, na przykład wodorem cząsteczkowym. Umiejętność ta ma znaczenie praktyczne, gdyż otwiera możliwość bezpiecznego przechowywania wodoru, który może być stosowany jako paliwo przyjazne środowisku w silnikach spalinowych. Naukowcom udało się również umieścić wewnątrz nanorurki cały łańcuch fulerenów z już osadzonymi w nich atomami gadolinu (patrz rys. 5).

Ryż. 5. Wewnątrz C60 wewnątrz jednościennej nanorurki