Dërgoni punën tuaj të mirë në bazën e njohurive është e thjeshtë. Përdorni formularin e mëposhtëm

Studentët, studentët e diplomuar, shkencëtarët e rinj që përdorin bazën e njohurive në studimet dhe punën e tyre do t'ju jenë shumë mirënjohës.

Postuar në http://www.allbest.ru/

Prezantimi

Nanoteknologjia - shkenca e prodhimit dhe vetive të elementeve të teknologjisë në nivelin atomik dhe molekular - tani është "në vesh" për të gjithë. Nanopajisjet dhe nanomakinat nga elementë të tillë tashmë po lëvizin nga sfera e fantazisë në jetën moderne. Dhe një pjesë e kësaj shkence është një degë në rritje e shpejtë e kërkimit të nanotubeve dhe fullerenit, e cila ka tërhequr qindra grupe kërkimore të fizikanëve, kimistëve dhe shkencëtarëve të materialeve.

Problemi i krijimit të nanostrukturave me veti të dhëna dhe dimensione të kontrolluara është një nga çështje kritike shekulli XXI. Zgjidhja e tij do të revolucionarizojë elektronikën, shkencën e materialeve, mekanikën, kiminë, mjekësinë dhe biologjinë.

Nanotubat e karbonit (CNT) janë sisteme unike makromolekulare. Diametri i tyre shumë i vogël nanometër dhe gjatësia e madhe mikron tregojnë se ato janë më të afërt në strukturë me sistemet ideale njëdimensionale (ID). Prandaj, CNT-të janë objekte ideale për testimin e teorisë së fenomeneve kuantike, në veçanti të transportit kuantik në sistemet e gjendjes së ngurtë me dimensione të ulëta. Ato janë kimikisht dhe termikisht të qëndrueshme deri në të paktën 2000 K, kanë përçueshmëri të shkëlqyer termike, forcë unike dhe karakteristika mekanike.

Thjeshtësia e strukturës së nanotubave bën të mundur zhvillimin e modeleve teorike të strukturave të tyre. Prandaj, aplikime të reja të papritura presin CNT-të në të ardhmen, veçanërisht për aplikime në biologji (manipulim i molekulave brenda një qelize, rrjete nervore artificiale, memorie nanomekanike, etj.).

1. Nanotuba me një mur

1.1 Hapja

Në fillim të vitit 1993, disa grupe shkencëtarësh deklaruan se materialet e huaja mund të vendosen në nanogrimca karboni ose nanotuba duke përdorur elektroda të modifikuara në një proces avullimi me hark. Ekipi i Rodney Ruoff nga Kalifornia dhe ekipi i Yahachi Saito nga Japonia morën kristale të kapsuluara LaC 2 kur punonin me elektroda të mbushura me lantanum, ndërsa Suppapan Serafin dhe kolegët raportuan se YC2 mund të përfshihej në nanotuba duke përdorur elektroda që përmbajnë ittrium. Kjo punë hapi një fushë krejtësisht të re të bazuar në nanogrimcat dhe nanotubat si "kontejnerë molekularë", por në mënyrë indirekte çoi në një zbulim krejtësisht të ndryshëm me aplikime po aq të rëndësishme.

Donald Bethune dhe kolegët e tij në Qendrën Kërkimore IBM Almaden në San Luis, Kaliforni, u interesuan shumë për artikujt e Ruoff dhe të tjerëve. Ky grup po punonte në materiale magnetike për aplikimet e tyre në ruajtjen e informacionit dhe besonte se kristalitet e një metali kalimtar ferromagnetik të mbyllur në predha karboni mund të kishin një vlerë të madhe në këtë fushë. Në materiale të tilla, grimcat metalike të kapsuluara duhet të ruajnë momentet e tyre magnetike dhe, në të njëjtën kohë, të izolohen kimikisht dhe magnetikisht nga fqinjët e tyre. Prej disa vitesh ky grup IBM ka punuar në "fulerenet ekuedrale"; fullerene që përmbajnë një numër të vogël atomesh metali brenda. Por grupimet ose kristalet e mëdha brenda qelizave të ngjashme me fullerene mund të jenë me interesin më të madh praktik. Prandaj, Bethune vendosi të provonte disa eksperimente mbi avullimin e harkut duke përdorur elektroda të ngopura me metale tranzicioni feromagnetike hekur, kobalt dhe nikel. Megjithatë, rezultati i këtij eksperimenti nuk ishte aspak ai që pritej. Para së gjithash, bloza e prodhuar nga avullimi me hark nuk ishte si materiali konvencional i prodhuar nga avullimi me hark i grafitit të pastër. Shtresat e blozës vareshin si rrjeta kobure në muret e dhomës, ndërsa materiali i depozituar në mure kishte një strukturë gome dhe mund të gërvishtej në shirita. Kur Bethune dhe kolegu Robert Beyers testuan këtë material të ri të çuditshëm duke përdorur mikroskop elektronik rezolucion të lartë Ata u mahnitën kur zbuluan se ai përmbante shumë nanotuba me mure në një shtresë atomike. Këto tuba të bukura u ngatërruan me blozën amorfe dhe grimcat e metalit ose karabit metalik që e mbanin materialin në një formë që përputhej me strukturën e tij të çuditshme. Kjo punë u pranua për botim në Nature dhe u shfaq në qershor 1993. Mikrografitë nga ky artikull janë paraqitur në Figurën 1.1.

Figura 1.1 - Imazhe nga Bethune et al.. Duke treguar nanotubat karboni me një mur të prodhuar nga avullimi i përbashkët i grafitit dhe kobaltit. Tuba kanë diametër rreth 1.2 nm.

Në mënyrë të pavarur nga grupi amerikan, Sumio Iijima dhe Toshinari Ichihashi nga NEC Laboratories në Japoni eksperimentuan gjithashtu me avullimin e harkut duke përdorur elektroda të modifikuara. Përveç kësaj, ata ishin të interesuar për efektin e ndryshimit të atmosferës brenda dhomës së harkut. Ashtu si Bethune dhe kolegët e tij, ata zbuluan se në kushte të caktuara, prodhohet një lloj bloze shumë e ndryshme, e ndryshme nga ajo që formohet zakonisht nga avullimi i harkut. Për këtë studim, shkencëtarët japonezë futën hekur në elektrodat e tyre dhe përdorën një përzierje metani dhe argoni në vend të heliumit si atmosferë. Kur u kontrollua nga mikroskopi elektronik me rezolucion të lartë, u zbulua se materiali i avullimit të tillë të harkut përmbante nanotuba shumë të shquar, të shtrirë si fije midis grupimeve të materialit amorf ose grimcave metalike. Nanotubat me një mur ndryshojnë nga ato të marra në avullimin e vazhdueshëm të harkut nga një shpërndarje me diametër shumë të ngushtë. Në rastin e tubave "konvencionale", diametri i brendshëm varion nga 1,5 në 15 nm dhe diametri i jashtëm varion nga 2,5 në 30 nm. Nga ana tjetër, nanotubat me një mur kanë të gjithë diametra shumë të ngjashëm. Në materialin e Bethune dhe kolegëve të tij, nanotubat kishin diametër prej 1.2 (± 0.1) nm, ndërsa Iijimai Ichihashi zbuloi se diametrat e tubit variojnë nga 0.7 në 1.6 nm me një qendër prej rreth 1.05 nm. Ngjashëm me tubat e prodhuar nga avullimi konvencional i harkut, të gjithë nanotubat me një mur u mbuluan dhe nuk kishte asnjë dëshmi të pranisë së grimcave të katalizatorit metalik në skajet e këtyre tubave. Megjithatë, besohet se rritja e nanotubave me një mur është në thelb katalitik.

1.2 Puna e mëvonshme në nanotubat me një mur

Duke ndjekur origjinalin kërkimi bazë Donald Bethune dhe kolegët e tij në IBM në San Jose kanë bashkëpunuar me shkencëtarë nga Instituti i Teknologjisë në Kaliforni, Instituti Politeknik i Virxhinias dhe Universiteti Shtetëror i Virxhinias për të kryer një sërë studimesh mbi përgatitjen e nanotubave me një mur të vetëm duke përdorur një masë "katalizatorësh". Në një nga seritë e para, ata treguan se shtimi i squfurit dhe kobaltit në anodë (qoftë në formën e S ose CoS të pastër) çoi në shfaqjen e nanotubave me një gamë më të gjerë diametrash sesa kur përgatiteshin vetëm me kobalt. Kështu, nanotubat me një mur me diametër nga 1 në 6 nm u morën kur squfuri u zbulua në katodë, në krahasim me 1-2 nm në rastin e kobaltit të pastër. Më pas, u tregua se bismuti dhe plumbi mund të kontribuojnë në mënyrë të ngjashme në formimin e tubave me diametër të madh.

Në vitin 1997, një ekip francez tregoi se një rendiment i lartë i nanotubave mund të arrihet edhe me avullimin e harkut. Metoda e tyre ishte e ngjashme me teknikën origjinale të Bethune dhe kolegëve të tij, por ata përdorën gjeometri paksa të ndryshme të reaktorit. Gjithashtu, një përzierje nikel/ittrium u përdor si katalizator, në vend të kobaltit të preferuar nga grupi i Bethune. U zbulua se numri më i madh i nanotubave u formua në "jakën" rreth depozitës së katodës, e cila përbënte rreth 20% të masës totale të materialit të avulluar. E gjithë rendimenti i tubit u vlerësua në 70-90%. Ekzaminimi i materialit të jakës me mikroskop elektronik me rezolucion të lartë tregoi praninë e shumë tufave nga tubat me një diametër prej rreth 1.4 nm. Kjo dalje dhe pamja e tubave të përftuara janë të ngjashme me mostrat "pako" të grupit Smalley, duke përdorur avullimin me lazer.

Në fund të vitit 1993, Shekhar Subramoney nga Dupont në Wilmington, Delaware, në bashkëpunim me studiuesit në SPI International, përshkroi prodhimin e nanotubave me një mur në një mënyrë tjetër. Këta shkencëtarë aplikuan avullimin e harkut duke përdorur elektroda të mbushura me gadolinium për të mbledhur blozën nga muret e reaktorit. Së bashku me sasi të mëdha të karbonit amorf, bloza përmbante struktura të " iriq deti"që përmbante nanotuba me një mur që rriteshin mbi grimca relativisht të mëdha të karbitit të gadoliniumit (me dimensione tipike prej dhjetëra nanometrash). nanotubat radial me një mur mund të jenë formuar në një sërë metalesh të tjera, duke përfshirë lantanin dhe itrin. Figura 1.2, marrë nga puna e Saito dhe kolegëve, tregon një përshkrim tipik të nanotubave me një mur që rriten në mënyrë radiale nga një grimcë që përmban lantanum. Ndryshe nga hekuri -Metalet e grupit, tokat e rralla nuk dihet se katalizojnë prodhimin e nanotubave me shumë shtresa, kështu që formimi i tubave në to është mjaft befasues.Fakti që tubat rriten në grimca relativisht të mëdha sugjeron që ky mekanizëm i rritjes është i ndryshëm. Është sugjeruar se rritja e tubave në sipërfaqet e grimcave mund të përfshijë lirimin e atomeve të karbonit të mbingopur nga pjesa e brendshme e grimcave karabit. Rritja e madhe e tubave të grimcave katalitike me shumë shtresa u vu re shumë vite më parë nga Baker dhe të tjerë.

Metodat e diskutuara deri më tani për prodhimin e nanotubave me një mur kanë përfshirë avullimin e harkut duke përdorur elektroda të modifikuara. Puna e Smalley dhe kolegëve të tij tregoi se nanotubat me një mur mund të sintetizohen gjithashtu duke përdorur një metodë thjesht katalitike. Katalizatori, duke përdorur grimca molibdeni disa nanometra në diametër, u pozicionua në alumin. E gjithë kjo u vendos brenda një furre në formë tubi përmes së cilës kalohej monoksidi i karbonit në një temperaturë prej 1200 ° C. Kjo temperaturë është shumë më e lartë se ajo që përdoret zakonisht në prodhimin katalitik të nanotubave, gjë që mund të shpjegojë pse formohen nanotuba me një mur në vend të nanotubave me shumë mure.

Tubat me një shtresë të përgatitur në mënyrë katalitike kishin një sërë veçorish interesante që i dallonin nga tubat e sintetizuara nga avullimi me hark. Së pari, tubat katalitikë zakonisht kishin grimca të vogla metalike të ngjitura në fund, ashtu si tubat me shumë shtresa të prodhuara nga kataliza. Kishte gjithashtu një gamë të gjerë të diametrave të grimcave (rreth 1-5 nm) dhe dukej se diametri i çdo tubi përcaktohej nga diametri i grimcave përkatëse të katalizatorit. Së fundi, tubat me një shtresë të formuar në mënyrë katalitike zakonisht izoloheshin në vend që të grumbulloheshin, siç është rasti me tubat e sintetizuara nga avullimi me hark.

Këto vëzhgime bënë të mundur që Smalley dhe kolegët të propozojnë një mekanizëm rritjeje për gypat e formuar në mënyrë katalitike, i cili përfshin formimin fillestar të një kapaku me një shtresë (të quajtur yarmolka - emri hebre për kafkën), rritjen e mëvonshme të këtij kapaku me ndarje nga grimcat katalitike që largohen më pas nga tubi. Ky mekanizëm është krejtësisht i ndryshëm nga ai i propozuar prej tyre për rritjen e tubave me një shtresë me avullim lazer.

Figura 1.2 - Nanotuba me një mur që rriten në një grimcë lantanumi

Figura 1.3 - Imazhet TEM të mostrave nga "tufa" nanotubash me një mur (a)

Imazhi me rezolucion të ulët që tregon një numër të madh fijesh, (b) mikrografë me rezolucion të lartë të një fillese individuale të treguar përgjatë boshtit të saj.

1.3 "Paketat" e nanotubave

Që nga zbulimi i C60 në Raisa në 1985, grupi i Smalley është fokusuar në përdorimin e lazerëve në sintezën e materialeve të ngjashme me fullerene. Në vitin 1995, ata raportuan për zhvillimin e teknologjisë së shkrirjes lazer, e cila i lejoi ata të merrnin nanotuba me një mur me rendiment të lartë. Përmirësimet e mëvonshme të kësaj metode çuan në prodhimin e nanotubave me një mur me diametra jashtëzakonisht uniformë. Rendimenti më i mirë i nanotubave homogjenë me një mur u përftua me një përzierje katalizatore të përbërë nga pjesë të barabarta të Co dhe Ni, dhe u përdor një puls i dyfishtë për të siguruar një avullim më të barabartë të një objektivi të tillë.

Disa mikrografë të materialit të marrë me këtë teknologji janë paraqitur në figurën 1.3. Në përgjithësi pamja e jashtmeështë shumë i ngjashëm me materialin e prodhuar nga avullimi me hark. Megjithatë, tubat individualë priren të formojnë "tufa" ose tufa të zgjatura që përbëhen nga tuba individualë me të njëjtin diametër. Ndonjëherë ishte e mundur të gjendeshin tufat që kalonin në një distancë të afërt nga drejtimi i rrezes së elektroneve, në mënyrë që dikush t'i shihte ato "nga fundi në fund", si në figurën 1.3 (b). Përveç mikroskopit elektronik, Smalley dhe kolegët kryen matje të difraksionit me rreze X në mostrat "litar" në bashkëpunim me John Fisher dhe bashkëautorë në Universitetin Shtetëror të Pensilvanisë. Janë marrë reflektime të mirëpërcaktuara nga një grilë dydimensionale, duke konfirmuar se tubat ishin të të njëjtit diametër. U gjet një marrëveshje e mirë me të dhënat eksperimentale me supozimin se diametri i nanotubit është 1.38 nm me një gabim prej ± 0.02 nm. Hendeku van der Waals midis tubave u gjet të ishte 0.315 nm, i ngjashëm me kristalin C 60. Nga studimet e RD, u arrit në përfundimin se këto tufa përbëhen kryesisht nga (10, 10) nanotuba kolltuqesh. Kjo u vërtetua qartë nga matjet e nanodifraksionit elektronik të rrezes elektronike, në mënyrë që ata të mund t'i shihnin "në fund", si në figurën 1.3 (b).

2. Teoritë e rritjes së nanotubave

2.1 Shënime të përgjithshme

Në fillim, është e rëndësishme të merret parasysh efekti në rritjen e strukturës së tubit. Në artikullin e tij të vitit 1991 në Nature, Iijima vuri në dukje se struktura helikoidale duket të jetë e preferueshme, pasi tuba të tillë kanë një hap të përsëritur në fundin e rritjes. Ky supozim, i ilustruar në Figurën 2., është shumë i ngjashëm me paraqitjen e një zhvendosjeje vidë në sipërfaqen e kristalit. Nanotubat e karriges dhe zigzag-ut nuk kanë një strukturë të tillë, e cila është e preferueshme për rritje dhe duhet të kërkojë ribërthamëzim të një unaze të re gjashtëkëndëshe. Kjo sugjeron që nanotubat e mbështjellë duhet të vërehen më shpesh sesa ashensorët e karrigeve ose nanotubat zigzag, megjithëse aktualisht nuk ka prova të mjaftueshme eksperimentale për ta mbështetur këtë.

Figura 2. - Vizatimi i dy tubave të mbështjellur koncentrikë që tregojnë praninë e hapave në skajet e rritjes (5)

Tjetra, ekziston një pyetje shumë e rëndësishme për mekanizmin e rritjes - a kanë tubat e rritjes skaje të mbyllura apo të hapura? Një model i hershëm për rritjen e nanotubave, i krijuar nga Endo dhe Kroto, favorizoi një mekanizëm të mbyllur. Ata supozuan se atomet e karbonit mund të futen në një sipërfaqe të mbyllur të fullerenit në vende në afërsi të unazave pesëkëndore, me një kalim të mëvonshëm në një gjendje ekuilibri, si rezultat i së cilës fullereni fillestar do të tërhiqet vazhdimisht. Në mbështetje të kësaj ideje, Endo dhe Kroto cituan demonstrimin nga Ulmer dhe kolegët se C 60 dhe C 70 mund të rriten qartë në fullerene të mëdha kur shtohen fragmente të vogla karboni.

Ndërsa mekanizmi Endo-Kroto ofron një shpjegim të besueshëm për rritjen e nanotubave me një mur, ai mbetet një problem i madh në shpjegimin e rritjes me shumë shtresa. Në shqyrtimin e modeleve, Endo dhe Kroto sugjerojnë që rritja me shumë shtresa mund të kryhet "epitaksial". Nëse është kështu, atëherë duket se nuk ka asnjë arsye të qartë pse shtresa e dytë nuk duhet të fillojë të rritet menjëherë pas formimit të fullerenit fillestar dhe pasi shtresa e dytë të mbyllet, çdo shtrirje e mëtejshme e tubit të brendshëm duhet të bëhet e pamundur. Por kjo është në kundërshtim me vëzhgimin se shumica e tubave janë me shumë shtresa përgjatë gjithë gjatësisë së tyre. Një model i tillë ka gjithashtu vështirësi në shpjegimin e strukturave me degë të dyshimta. Për këto arsye, mekanizmi i rritjes së mbyllur Endo-Kroto nuk është pranuar gjerësisht.

Përfundimi se mekanizmi i rritjes duhet të ndodhë me një fund të hapur të tubit është në një farë mënyre më i preferueshëm. Siç tha Richard Smalley, "Nëse ne kemi mësuar ndonjë gjë që nga viti 1984-1985 për mënyrën se si kondensohet karboni, është që fletët e hapura duhet të bashkohen me dëshirë me pesëkëndëshat për të eliminuar lidhjet e varura." Problemi i mbajtjes së tubave me një skaj të hapur në kushte të favorshme për mbylljen e tij është një nga ato probleme të konsideruara nga linjë e tërë autorët.

2.2 Pse nanotubat qëndrojnë të hapur gjatë rritjes

Disa autorë, veçanërisht Smalley dhe kolegët, kanë sugjeruar se fusha elektrike në hark mund të luajë një rol të rëndësishëm në mbajtjen e tubave të hapur gjatë rritjes. Më saktë, duhet të kishte ndihmuar për të kuptuar pse nanotubat nuk gjenden kurrë në blozën e kondensuar në muret e dhomës së avullimit të harkut. Megjithatë, llogaritjet treguan se ulja e shkaktuar nga fusha në energjinë e skajit të hapur është e pamjaftueshme për të stabilizuar konfigurimin e hapur, me përjashtim të fushave jorealiste të larta. Prandaj, është zhvilluar një model elegant në të cilin atomi është "salduar në pikë" midis shtresave, duke ndihmuar në stabilizimin e formimit të skajit të hapur në vend që ta mbyllë atë.

Kjo ide u konfirmua nga eksperimentet mbi mbylljen e nanotubave individuale shumështresore me dhe pa diferencë tensioni. Një model i tillë mund të ndihmojë për të kuptuar rritjen e nanotubave në një hark, por nuk mund të zbatohet në rastin e rritjes së tubave ku fusha të forta elektrike nuk janë të pranishme. Kjo ka bërë që disa autorë të spekulojnë se disa ndërveprime ndërmjet tubave koncentrikë të kombinuar mund të jenë thelbësore për stabilizimin e tubave të hapur.

Një analizë e detajuar e ndërveprimit të dy tubave të çiftuar u krye nga Jean-Christophe Charlier dhe kolegët duke përdorur metoda të dinamikës molekulare. Ata shikuan një tub (10.0) brenda një gypi (18.0) dhe zbuluan se ishte krijuar një urë midis skajeve të dy tubave. U zbulua se në temperatura të larta (3000 K), konfigurimi i strukturave lidhëse të ngjitjes së bashku luhatet vazhdimisht. Supozohej se struktura e luhatshme duhet të krijojë vende aktive për adsorbimin dhe futjen e atomeve të reja të karbonit, duke lehtësuar kështu rritjen e tubit.

Problemi me këtë teori është se ajo nuk mund të shpjegojë rritjen e tubave me një mur me diametër të madh kur ekspozohen termikisht ndaj blozës fullerene. Në përgjithësi, aktualisht, duket se nuk ka një shpjegim të plotë për rritjen e nanotubave të hapur.

2.3 Vetitë e plazmës së harkut

Shumica e modeleve të rritjes së nanotubave të diskutuara më parë supozojnë se tubat bërthamohen dhe rriten në plazmën e harkut. Megjithatë, disa autorë morën parasysh gjendjen fizike të vetë plazmës dhe rolin e saj në formimin e nanotubave. Diskutimi më i detajuar i këtij problemi u krye nga Eugene Gamaley, një ekspert në fizikën e plazmës, dhe Thomas Ebbesen (30, 31). Ky është një problem kompleks dhe vetëm një përmbledhje e shkurtër është e mundur këtu.

Gamaley dhe Ebbesen fillojnë me supozimin se nanotubat dhe nanogrimcat formohen në rajonin e harkut pranë sipërfaqes së katodës. Prandaj, ata analizojnë densitetin dhe shpejtësinë e avullit të karbonit në zonë, duke marrë parasysh temperaturën dhe vetitë e vetë harkut, në mënyrë që të zhvillojnë modelin e tyre. Ata besojnë se dy grupe grimcash karboni me shpërndarje të ndryshme shpejtësie do të ekzistojnë në shtresën e avullit të karbonit pranë sipërfaqes së katodës. Kjo ide është thelbësore për modelin e tyre të rritjes. Një grup grimcash karboni duhet të ketë një Maxwellian, d.m.th. Shpërndarja izotropike e shpejtësisë që korrespondon me temperaturën e harkut (~ 4000 K). Një grup tjetër përbëhet nga jonet që përshpejtohen në hendekun midis ngarkesës hapësinore pozitive dhe katodës. Shpejtësia e këtyre grimcave të karbonit duhet të jetë më e madhe se shpejtësia e grimcave termike, në të cilin rast rrjedha duhet të jetë e drejtuar dhe jo izotropike. Procesi i formimit të nanotubave (dhe nanogrimcave) shihet si një seri ciklesh, secila prej të cilave përbëhet nga hapat e mëposhtëm:

1. Formimi i embrionit. Në fillim të procesit të shkarkimit, shpërndarja e shpejtësisë së karbonit në shtresën e avulluar është kryesisht Maxwelliane, dhe kjo çon në formimin e strukturave pa asnjë bosht simetrie, siç janë nanogrimcat. Ndërsa rryma bëhet më e drejtuar, strukturat e hapura fillojnë të formohen, të cilat Gamaley dhe Ebbesen i shohin si bërthama për rritjen e nanotubave.

2.Rritja e tubit gjatë shkarkimit të qëndrueshëm. Kur shkarkimi stabilizohet, rrjedha e joneve të karbonit depërton në shtresën e avullit në drejtim pingul me sipërfaqen e katodës. Këto grimca karboni do të kontribuojnë në zgjatjen e nanotubave me një mur dhe me shumë mure. Meqenëse bashkëveprimi i grimcave të karbonit të drejtuar me një sipërfaqe të ngurtë duhet të jetë më intensiv se ai i grimcave të karbonit në shtresën e avullit, rritja e strukturave të zgjeruara duhet të jetë mbizotëruese mbi formimin e strukturave izotropike. Sidoqoftë, kondensimi në sipërfaqen e katodës së karbonit nga shtresa e avullit do të kontribuojë në trashjen e nanotubave.

3. Ndërprerja e rritjes dhe mbyllja. Gamaley dhe Ebbesen vërejnë se nanotubat shpesh shihen duke u rritur në tufa dhe se në paketën e vëzhguar për të gjithë tubat, rritja dhe përfundimi ndodhin pothuajse në të njëjtën kohë. Kjo u lejon atyre të supozojnë se paqëndrueshmëria ndodhin në shkarkimin e harkut, gjë që mund të çojë në një fund të papritur të rritjes së nanotubit. Paqëndrueshmëri të tilla mund të lindin nga lëvizja e paqëndrueshme e pikës së katodës mbi sipërfaqen e katodës ose nga ndërprerja dhe ndezja spontane e harkut. Në rrethana të tilla, grimcat e karbonit me një shpërndarje të shpejtësisë Maxwelliane do të mbizotërojnë përsëri, dhe kondensimi i karbonit të tillë përfundimisht do të çojë në mbulimin e tubit dhe përfundimin e rritjes.

2.4 Modele alternative

Shkencëtarët kanë paraqitur një teori krejtësisht të ndryshme të rritjes së nanotubave nga avullimi me hark. Në këtë model, nanotubat dhe nanogrimcat nuk rriten në plazmën e harkut, por më tepër formohen në katodë si rezultat i transformimit të gjendjes së ngurtë. Kështu, rritja e nanotubave nuk është pasojë e veprimit të një fushe elektrike, por është thjesht rezultat i një ngrohje të shpejtë deri në temperaturat e larta që përjeton materiali i depozituar në katodë gjatë harkut. Kjo ide u nis nga vëzhgimi se nanotubat mund të përgatiten me trajtim termik në temperaturë të lartë të blozës fullerene dhe përfshin një proces të rritjes së nanotubave me dy faza, në të cilin bloza e fullerenit është një produkt i ndërmjetëm. Modeli mund të përmblidhet si më poshtë. Në fazat fillestare Me avullimin me hark, një material i ngjashëm me fulleren (plus fullerene) duhet të kondensohet në katodë, dhe më pas materiali i kondensuar duhet t'i nënshtrohet temperaturave të larta gjatë vazhdimit të procesit të harkut, duke çuar në formimin e strukturave të para të ngjashme me nanotubin me një mur dhe pastaj nanotuba me shumë shtresa. Në këtë model me dy faza, veprimi kryesor është pjekja e blozës fullerene. Kështu, bloza e depozituar në muret e reaktorit, e cila i nënshtrohet pjekjes relativisht të dobët, nuk shndërrohet në tuba. Nga ana tjetër, bloza që kondensohet në katodë duhet t'i nënshtrohet pjekjes së konsiderueshme: do të çojë në formimin e tubave dhe nanogrimcave në formën e një mase të fortë. Prandaj, ky model na mundëson të shpjegojmë ndikimin e variablave të tillë si ftohja e elektrodës dhe presioni i heliumit në prodhimin e nanotubave. Duket se ftohja e ujit duhet të jetë thelbësor për të mbajtur temperaturën e katodës të ulët në nivelin e nevojshëm për të shmangur skorjet e tubave. Në mënyrë të ngjashme, roli i heliumit mund të shpjegohet me efektin e tij në temperaturën e depozitimit të katodës. Meqenëse heliumi është një përcjellës i shkëlqyer i nxehtësisë, presionet e larta duhet të çojnë në një ulje të temperaturës së elektrodës, duke çuar në rënien e saj në rajonin ku rritja e nanotubit mund të ndodhë pa skorje.

2.5 Rritja e nanotubave me një mur

Le të shqyrtojmë fillimisht rritjen e nanotubave me një mur në një avullues me hark. Ky proces ngre jo më pak pyetje sesa rritja e nanotubave me shumë shtresa në një hark. Ndër më të dukshmet janë këto: Pse vërehen vetëm nanotuba me një mur? Pse ekziston një shpërndarje kaq e ngushtë e diametrave të tubave? Cili është roli i metalit? Pse tubat rriten më shpesh në tufa? Përsëri, ne kemi vetëm disa përgjigje të qarta për këto pyetje.

Një gjë që duket e qartë është se rritja e nanotubave me një mur duhet të përcaktohet kryesisht nga kinetika dhe jo nga termodinamika, pasi tubat me diametra shumë të vegjël pritet të jenë më pak të qëndrueshëm sesa me ato të mëdhenj. Mungesa e shumë shtresave me sa duket kufizohet edhe nga faktorët kinetikë. Në lidhje me rolin e metalit, Bethune dhe kolegët dhe Iijima dhe Ichihashi sugjeruan që atomet individuale të metalit ose grupet e tyre të vogla mund të veprojnë si katalizator për rritjen e fazës së avullit, ngjashëm me mënyrën në të cilën grimcat e vogla metalike katalizojnë rritjen e tubave me shumë shtresa. . Pjesëmarrja e atomeve individuale ose grupimeve të mirëpërcaktuara duhet të ndihmojë në shpjegimin e shpërndarjeve me përmasa të ngushta. Çuditërisht, megjithatë, grimcat katalitike nuk duket se janë vërejtur kurrë në majat e nanotubave me një mur. Edhe nëse grimcat e katalizatorit ishin atome të veçanta, ato mund të zbuloheshin nga mikroskopi elektronik me rezolucion të lartë ose mikroskopi elektronik i transmetimit skanues (STEM). Është e mundur që atomet ose grimcat katalitike të shkëputen gjatë mbylljes së tubave. Siç u përmend më lart, Bethune dhe kolegët kanë treguar se shtimi i elementëve të tillë si squfuri në metal mund të prishë rëndë shpërndarjen e diametrit të tubit. Hulumtimi i mëtejshëm i këtij fenomeni mund të japë sqarime të dobishme për mekanizmin e rritjes.

Një nga disa përpjekje për të zhvilluar një model të detajuar të rritjes së nanotubave me një mur u ndërmor nga Ching-Hwa Kiang dhe William Goddard. Këta studiues sugjerojnë se unazat e polienit mund të shërbejnë si bërthama për formimin e nanotubave me një mur. U tregua se struktura të tilla unazore duhet të jenë grimca dominuese në avujt e karbonit, ndërsa strukturat e mbyllura të kornizës dominojnë në madhësi të mëdha. Është supozuar se unazat e karbonit mund të jenë pararendës në formimin e fullereneve, megjithëse kjo mbetet e diskutueshme. Kiang dhe Goddard besojnë se materialet fillestare për formimin e nanotubave me një mur janë unazat monociklike të karbonit dhe grupimet e fazës së gazit të karabit kobalt, ndoshta të ngarkuar. Grupet e karbitit të kobaltit veprojnë si katalizatorë kur lidhen me unazat C 2 ose grimca të tjera. Këta autorë sugjerojnë që një konformacion specifik duhet të ndikojë në strukturën e nanotubit që rezulton.

Smalley dhe kolegët, duke ndjekur teorinë e tyre të "tufave" të nanotubave, propozuan një mekanizëm rritjeje që ka disa ngjashmëri me mekanizmin Qiang dhe Goddard. Ky model bazohet në supozimin se të gjithë tubat kanë të njëjtën strukturë (10,10) kolltuk. Kjo strukturë e veçantë lejon që unazat e hapura gjashtëkëndore të "mbivendosen" nga lidhjet e trefishta, megjithëse ato duhet të stresohen ndjeshëm në krahasim me rregullimin e tyre origjinal linear. Pastaj grupi i Smalley sugjeron që një atom i vetëm i nikelit do të absorbohet kimikisht në fund të tubit dhe "të kalojë" rreth periferisë (Figura 2.1), duke ndihmuar atomet e karbonit që vijnë të vendosen në unazat gjashtëkëndore. Çdo strukturë lokale jo optimale, duke përfshirë pesëkëndëshat, do të reflektohet, kështu që një tub i tillë do të vazhdojë të rritet pafundësisht.

Këtu, si dhe për mekanizmat e tjerë të propozuar për rritjen e nanotubave me një mur, nuk ka asnjë provë të drejtpërdrejtë eksperimentale.

Figura 2.1 - Ilustrimi i mekanizmit të "skuterit" gjatë rritjes së (10, 10) nanotubave të kolltukut.

Një numër grupesh shkencëtarësh në mbarë botën janë përpjekur të pastrojnë mostrat e nanotubave duke përdorur metoda të tilla si centrifugimi, filtrimi dhe kromatografia. Disa nga këto metoda përfshijnë përgatitjen fillestare të suspensioneve koloidale të materialit që përmban nanotuba duke përdorur surfaktantë. Për shembull, Jean-Marc Bonard dhe kolegët përdorën surfaktantin anionik të natriumit dodecacyclosulfate (SDS) për të arritur një pezullim të qëndrueshëm të nanotubave dhe nanogrimcave në ujë. Fillimisht, një metodë filtrimi u përdor për të ndarë nanotubat nga nanogrimcat, por ndarja më e suksesshme u arrit thjesht: duke lejuar që nanotubat të flokulohen, duke i lënë nanogrimcat në pezullim. Sedimenti më pas mund të hiqet dhe procedurat e mëtejshme të sedimentimit vazhduan. Kjo jo vetëm që bëri të mundur nxjerrjen e nanogrimcave, por gjithashtu çoi në një ndarje të gypave në gjatësi.

Një metodë tjetër për të arritur ndarjen e madhësisë së nanotubit përshkruhet nga Duisberg dhe kolegët në Institutin Max Planck në Shtutgart dhe Trinity College Dublin. Ndarja e gypave dhe materialit tjetër u përftua përsëri në acidin CHS. Më pas ndarja u krye duke përdorur kromatografinë me përjashtim të madhësisë (SXR). Kjo teknologji është përdorur gjerësisht për ndarjen e makromolekulave biologjike dhe autorët kanë demonstruar se është e mundur që me sukses të ndahen mostrat e nanotubave në fraksione me tuba me gjatësi të ndryshme. Një disavantazh i mundshëm i përdorimit të sufraktantëve të tillë si SDN në pastrimin e nanotubave është se gjurmët e sufraktantit mund të mbeten në produktin përfundimtar. Megjithatë, Bonard dhe kolegët kanë treguar se është e mundur të arrihet një ulje e nivelit të SDF nën 0.1% duke larë.

3. Pastrimi i tubave me një shtresë

Janë zhvilluar gjithashtu metoda për pastrimin e tubave me një mur, megjithëse procesi kërkon më shumë përpjekje sesa për nanotubat me shumë mure. Përveç sasisë së madhe të karbonit amorf, bloza që përmban nanotuba përmban edhe grimca metalike, të cilat vetë shpesh janë të veshura me karbon. Për më tepër, metodat e forta të oksidimit të përdorura për të pastruar nanotubat me shumë shtresa janë gjithashtu shkatërruese për tubat me një mur.

Shkencëtarët japonezë kanë përshkruar hap pas hapi procesin e eliminimit të njëpasnjëshëm të papastërtive të ndryshme. Hapi i parë përfshinte larjen e blozës së patrajtuar me ujë të distiluar për 12 orë, e ndjekur nga filtrimi dhe tharja. Kjo procedurë bëri të mundur heqjen e disa grimcave të grafitit dhe karbonit amorf. Fullerenet u lanë me toluen në një aparat Soxklet. Pastaj bloza u ngroh në 470 ° C në ajër për 20 minuta për të hequr qafe grimcat metalike. Së fundi, bloza e mbetur u ekspozua ndaj acidit perklorik në mënyrë që të shpërndante grimcat metalike. Ekzaminimi i produktit përfundimtar me mikroskop elektronik dhe difraksioni me rreze X tregoi se pjesa më e madhe e ndotjes u hoq, megjithëse disa nanogrimca të mbushura dhe të zbrazëta mbetën në të.

Smalley dhe kolegët kanë zhvilluar një metodë për pastrimin e mostrave të nanotubave nga tufat duke përdorur mikrofiltrimin. Ata ishin të parët që përshkruan teknikën e përdorimit të një surfaktant kationik për të përgatitur një suspension të nanotubave dhe një materiali shoqërues në tretësirë, dhe më pas mbjellin nanotubat në një membranë. Megjithatë, pas çdo filtrimi kërkohej filtrim i shumëfishtë i slurit për të arritur një nivel të konsiderueshëm pastrimi, duke e bërë një procedurë të tillë shumë të ngadaltë dhe joefektive. Një metodë e përmirësuar u përshkrua në një letër që përdorte sonication për të mbajtur materialin në pezullim gjatë filtrimit dhe për të mundësuar kështu filtrimin e vazhdueshëm të sasive të mëdha të mostrës. Në këtë mënyrë, u bë e mundur të pastrohej deri në 150 ml blozë brenda 3-6 orëve për të marrë një material që përmban më shumë se 90% SWNT.

Tubat me një shtresë mund të pastrohen gjithashtu duke përdorur kromatografi, Duisburg et al. Përshkroi një metodë të ngjashme me atë të përdorur për MWNT dhe tregoi efektivitetin e saj për SWNTs.

4. Përafrimi i mostrave të nanotubeve

nanotub karboni plazma e ngjashme me fullerene

Shumë nga metodat e përgatitjes të përshkruara më sipër prodhojnë mostra me nanotuba të orientuar rastësisht. Megjithëse tubat shpesh grupohen në tufa, vetë tufat nuk përputhen fare me njëra-tjetrën. Për të matur vetitë e nanotubave, do të ishte shumë e dobishme të kishim mostra në të cilat të gjithë tubat janë të rreshtuar në të njëjtin drejtim. Megjithëse metodat katalitike për përgatitjen e tubave të rreshtuar tashmë janë përshkruar, ishte gjithashtu e nevojshme të zhvillohen teknologji për rreshtimin e mostrave të tubave pas sintezës së tyre. Kështu, një nga metodat e para të tilla u propozua në vitin 1995 nga një grup nga Ecole Polytechnic Federal of Lozanne në Zvicër. Ata përdorën një mostër MWNT të përgatitur nga avullimi me hark, i cili u centrifugua dhe u filtua për të hequr nanogrimcat dhe ndotësit e tjerë. Filmat e hollë të nanotubave të pastruar u depozituan më pas në sipërfaqen plastike dhe imazhet SEM treguan se këta tuba ishin të vendosur pingul me filmin në një gjendje kaq të depozituar lirisht. U zbulua se tubat mund të rreshtoheshin paralelisht me sipërfaqen e kampionit, të fërkuar më parë me teflon ose letër alumini. Autorët pretendojnë se filmat mund të bëhen "arbitrarisht të mëdhenj" me këtë metodë dhe ata i përdorën këto filma për të kryer eksperimente të emetimit në terren.

Një metodë tjetër e rreshtimit të nanotubave është futja e këtyre tubave në një matricë dhe më pas nxjerrja e një matrice të tillë në një farë mënyre në mënyrë që tubat të rreshtohen në drejtimin e rrjedhës.

5. Kontrolli i gjatësisë së nanotubave të karbonit

Teknika e prerjes së nanotubave individuale me një mur në gjatësi të kontrolluara u përshkrua nga studiues nga Universitetet Delft dhe Rais në fund të vitit 1997. Nanotubat e përdorur u morën nga avullimi me lazer nga grupi Smalley dhe u depozituan në sipërfaqen e kristaleve të arit për skanim. mikroskopi tunelizimi. Kur u identifikua një nanotub i përshtatshëm, skanimi u ndal dhe maja Pt/Ir u avancua në pikën e zgjedhur në këtë tub. Pastaj Feedback ishte fikur dhe u aplikua një impuls tensioni midis majës dhe kampionit për një periudhë të caktuar. Kur skanimi rifilloi, një thyerje ishte e dukshme në nanotub nëse prerja ishte e suksesshme. Është demonstruar se tubat individualë mund të priten deri në katër pozicione të veçanta. U zbulua se faktori kritik në procesin e prerjes është voltazhi dhe jo rryma e kërkuar për procesin e prerjes, tensioni minimal duhet të jetë 4 V.

Me nanotuba individualë të prerë në gjatësi të shkurtra, autorët ishin në gjendje të tregonin se vetitë elektrike të tubave të shkurtër ndryshonin nga ato të nanotubave origjinalë. Këto dallime i atribuohen manifestimit të efekteve të madhësisë kuantike.

Përveç kontrollit të gjatësisë së nanotubave individualë, është e mundur të priten në gjatësi të shkurtra dhe mostra në masë nga nanotubat me një mur. Kjo u demonstrua në vitin 1998 nga grupi Smalley. Mënyra më efektive për të marrë mostra nga tubat e shkurtër (ato quheshin "tuba fullerene") është sonikimi i materialit të nanotubave në një tretësirë ​​të acideve sulfurik dhe nitrik. Gjatë këtij ekspozimi, duket se sonokimia besnike prodhon vrima në sipërfaqet tubulare, të cilat më pas sulmohen nga acidet, duke formuar "tubula" të hapura. Smalley dhe kolegët kanë treguar se këto tuba mund të klasifikohen në fraksione me gjatësi të ndryshme me anë të një metode të njohur si fraksionimi i rrjedhës në terren. Ata gjithashtu mbushën skajet e nanotubave të tillë të hapur me grupe të ndryshme funksionale dhe treguan se grimcat e arit mund të ngjiten në skajet e tubit fundor. Kjo punë mund të konsiderohet si fillimi i një kimie të re organike të bazuar në nanotubat e karbonit.

6. Analiza Kërkimore

Metoda e avullimit me hark të Iijima, Ebbesen dhe Ajayan mbetet padyshim teknika më e mirë për sintetizimin e nanotubave. Cilesi e larte, por vuan nga një sërë disavantazhesh. Së pari, është punë intensive dhe kërkon disa aftësi për të arritur një nivel të përshtatshëm riprodhueshmërie. Së dyti, rendimenti në të është mjaft i ulët, pasi karboni i avulluar depozitohet në muret e dhomës më shumë sesa në katodë, dhe nanotubat janë të kontaminuar me nanogrimca dhe mbeturina të tjera grafiti. Së treti, është më shumë një proces "pjekjeje" sesa një proces i vazhdueshëm dhe nuk është e lehtë të rritet. Nëse nanotubat do të përdoren ndonjëherë komercialisht në shkallë të madhe, atëherë, me sa duket, do t'ju duhet të përdorni një metodë tjetër gatimi. Progresi në këtë drejtim pengohet nga mungesa e të kuptuarit të mekanizmit të rritjes së tubit në një hark. Prandaj, kërkime të mëtejshme, të përkushtuara në mënyrë specifike për të sqaruar mekanizmin e rritjes së nanotubave, duhet të mirëpriten.

Ekziston një dobësi tjetër serioze e metodës së avullimit të harkut dhe e gjithë teknologjisë tjetër aktuale për përgatitjen e nanotubave me shumë shtresa: ato prodhojnë një gamë të gjerë madhësish dhe strukturash tubash. Dhe ky mund të jetë një problem jo vetëm për disa aplikime, por edhe një disavantazh në ato zona ku nevojiten struktura specifike tubash, si për shembull nanoelektronika. A është e mundur të parashikohet rruga përgjatë së cilës do të përgatiten tubat me struktura të caktuara? Ndoshta kjo do të arrihet përmes përdorimit krijues të katalizatorëve.

Studiuesit tërheqin vëmendjen për homogjenitetin më të madh të tubave me një mur se sa homologët e tyre me shumë mure, të paktën në lidhje me diametrat e tyre. Megjithatë, të përdorura drejtpërdrejt për sintetizimin e tubave me një mur, metodat janë më komplekse sesa për nanotubat me shumë mure. Për prodhimin e materialit përdoret teknika e avullimit me lazer, e zhvilluar nga grupi Smoli cilesia me e mire me rendimentin më të lartë, por lazerët me energji të lartë të kërkuar për këtë metodë nuk janë gjithmonë të disponueshme në laboratorin konvencional. Ashtu si me tubat me shumë shtresa, rruga përpara mund të përfshijë metoda katalitike dhe kërkimet aktuale në këtë drejtim janë inkurajuese. Në fund të fundit, shpresohet se kimistët organikë do të jenë në gjendje të përfundojnë sintezën e plotë të nanotubave. Sidoqoftë, duhet të kihet parasysh se kjo mund të jetë një perspektivë e largët, pasi edhe sinteza e plotë e C60 nuk është kryer ende.

Ndërsa nanotubat me cilësi më të mirë prodhohen aktualisht duke përdorur metoda që prodhojnë gjithashtu sasi të konsiderueshme të materialit ndotës, është e rëndësishme të theksohet se ekzistojnë metoda për heqjen e këtij materiali. Për fat të mirë, kohët e fundit është bërë përparim domethënës në këtë fushë dhe tani ka një sërë metodash për heqjen e nanogrimcave të panevojshme, karbonit mikroporoz dhe ndotësve të tjerë nga mostrat e nanotubave me shumë shtresa dhe me një mur. U zhvilluan gjithashtu procedura për rreshtimin e tubave dhe prerjen e tyre në gjatësi të kontrolluar. Këto teknologji do të lejojnë përparim në fushat ku mungesa e mostrave të pastra dhe të mirëpërcaktuara mbetet një problem madhor.

konkluzioni

Metoda për përgatitjen e nanotubave, e përshkruar nga Injima në 1991, dha një rendiment relativisht të dobët, duke e bërë të vështirë studimin e mëtejshëm të strukturës dhe vetive të tyre. Një përparim i rëndësishëm ndodhi në korrik 1992, kur Thomas Ebessen dhe Pulikel Ajayan, duke punuar në të njëjtin laborator japonez si Iijima, përshkruan një metodë për përgatitjen e sasive gram të nanotubave. Përsëri, ky ishte një zbulim i papritur: ndërsa përpiqeshin të përgatisnin derivatet e fullereneve, Ebessen dhe Ajayan zbuluan se rritja e presionit të heliumit në dhomën e avullimit të harkut përmirëson në mënyrë dramatike rendimentin e nanotubave të formuar në blozën katodë. Disponueshmëria e nanotubave në vëllime të mëdha ka çuar në një rritje të jashtëzakonshme të ritmit të kërkimit në mbarë botën.

Një fushë tjetër që tërhoqi interesin e hershëm ishte ideja e përdorimit të nanotubave dhe nanogrimcave të karbonit si "kontejnerë molekularë". Një moment historik në këtë drejtim ishte demonstrimi nga Ajayan dhe Iijima se nanotubat mund të mbushen me plumb të shkrirë dhe kështu të përdoren si shabllone për "nanotelat". Më pas, u zhvilluan metoda më të kontrolluara të hapjes dhe mbushjes së nanotubave, duke lejuar që një gamë e gjerë materialesh, përfshirë ato biologjike, të vendoseshin brenda. Hapja dhe mbushja e nanotubave mund të rezultojë në veti të jashtëzakonshme që mund të aplikohen në katalizë ose sensorë biologjikë. Nanogrimcat e mbushura të karbonit mund të kenë gjithashtu aplikime të rëndësishme në fusha të ndryshme si regjistrimi magnetik dhe mjekësia bërthamore.

Ndoshta vëllimi më i madh në studimin e nanotubave duhet t'i kushtohet vetive të tyre elektronike. Puna teorike që i parapriu zbulimit të Iijima është përmendur tashmë më lart. Menjëherë pasi Iijima publikoi një letër drejtuar Nature në 1991, u shfaqën dy dokumente të tjera mbi vetitë elektronike të nanotubave të karbonit. Një ekip shkencëtarësh nga MIT dhe Noriaki Hamada dhe kolegët nga laboratori i Iijima në Tsukuba kryen llogaritjet e strukturës së brezit duke përdorur një model të ngurtë bashkimi dhe demonstruan se vetitë elektronike varen si nga struktura e tubit ashtu edhe nga diametri i tij. Këto parashikime të jashtëzakonshme zgjuan interes të madh, por përpjekja eksperimentale për të përcaktuar vetitë elektronike të nanotubave hasi në vështirësi të mëdha. Por vetëm në vitin 1996 u kryen matjet eksperimentale në nanotuba individualë që mund të konfirmonin parashikimet teorike. Këto rezultate sugjeruan se nanotubat mund të bëhen komponentë të pajisjeve nanoelektronike të ardhshme.

Përcaktimi i vetive mekanike të nanotubave të karbonit paraqiti vështirësi të jashtëzakonshme, por edhe një herë eksperimentuesit morën sfidën. Matjet nga mikroskopi elektronik i transmisionit dhe forca atomike kanë treguar se karakteristikat mekanike të nanotubave të karbonit mund të jenë po aq të jashtëzakonshme sa edhe vetitë e tyre elektronike. Si rezultat, interesi për përdorimin e nanotubave në materialet e përbëra është rritur.

Sot, aplikime të tjera të mundshme të nanotubave janë me interes. Për shembull, një numër shkencëtarësh po hetojnë problemin e përdorimit të nanotubave si këshilla për skanimin e mikroskopisë së sondës. Me formën e tyre të zgjatur, majat e mprehta dhe ngurtësinë e lartë, nanotubat duhet të ishin idealë për këtë qëllim dhe eksperimentet fillestare në këtë fushë treguan rezultate jashtëzakonisht mbresëlënëse. U tregua gjithashtu se nanotubat kanë vetitë e dobishme emetimet në terren që mund të çojnë në përdorimin e tyre në ekranet me panele të sheshta. Hulumtimi i nanotubeve po rritet me një ritëm astronomik kudo dhe aplikimet e tij komerciale me siguri nuk do të vonojnë të vijnë.

Bibliografi

1. P. Harris, Nanotubat e karbonit dhe strukturat e lidhura me to. Materialet e reja të shekullit XXI - M .: teknosferë, 2003.

Postuar në Allbest.ru

Dokumente të ngjashme

Struktura e grafitit, e cila përcakton vetitë e tij elektrike. Nanotuba karboni me një mur dhe me shumë mure. Energjia e lidhjes së bromit me një shtresë grafiti. Teknika eksperimentale dhe karakteristikat e instalimit. Përshkrimi fenomenologjik i procesit të brominimit.

punim term i shtuar 17.09.2011


Klasifikimi i nanostrukturave të karbonit. Modelet e formimit të Fullerenit. Montimi i fullereneve nga fragmentet e grafitit. Mekanizmi i formimit të nanogrimcave të karbonit nga kristalizimi i një grupi të lëngshëm. Metodat e prodhimit, struktura dhe vetitë e nanotubave të karbonit.

punim termi shtuar 25.09.2009


Proceset e sorbimit në ndërfaqen sorbat - sorbent. Metodat për marrjen e materialeve poroze të karbonit. Metodat e adsorbimit të trajtimit të ujërave të zeza. Reaksionet kryesore të ndërveprimit të përbërësve të përzierjeve të materialeve organike në proceset e bashkë-termolizës.

tezë, shtuar 21.06.2015


Konceptet dhe metodat themelore të saldimit të tubacionit. Zgjedhja e çelikut për tubacionin e gazit. Përgatitja e skajeve të tubave për saldim. Përzgjedhja e materialit të saldimit. Kërkesat e montimit të tubave. Testet e kualifikimit të saldatorëve. Teknologjia dhe teknika e saldimit me hark manual.

tezë, shtuar 25.01.2015


Sistemi për stabilizimin e shpejtësisë së rrotullimit të një motori DC si shembull i përdorimit të metodave të teorisë së kontrollit automatik. Sistemi për stabilizimin e rrymës së një furre për prodhimin e çelikut me hark, fuqia prerëse e procesit të bluarjes pa qendër.

punim afatshkurtër, shtuar 18.01.2013


Teknologjia e prodhimit të saldimit. Historia e zhvillimit të prodhimit të saldimit. Specifikimi i saldimit me hark argon dhe qëllimi i përdorimit të tij. Aplikimi, avantazhet dhe disavantazhet e saldimit me hark me argon. Karakteristikat krahasuese të pajisjeve për këtë lloj saldimi.

abstrakt, shtuar 18.05.2012


Përbërja dhe vetitë e çelikut. Informacion në lidhje me saldimin e tij. Teknologjia e prodhimit bashkim i salduar mbivendosja e dy fletëve me saldim manual me hark dhe me gaz me një elektrodë harxhuese. Zgjedhja materialet harxhuese të saldimit dhe burimet e fuqisë për harkun e saldimit.

punim afatshkurtër shtuar më 28.05.2015


Përcaktimi i saldueshmërisë së materialeve të përdorura, përzgjedhja e materialeve dhe pajisjeve mbushëse. Njësi saldimi për guaskën e sipërme të poshtme dhe të sipërme. Llogaritja e mënyrës së saldimit manual me hark. Harta procesi teknologjik njësia e saldimit A Ar-C17 në përputhje me GOST 14771-76.

punim afatshkurtër, shtuar 20.02.2013


Informacion i pergjithshem në lidhje me materialet e përbëra. Vetitë materiale të përbëra lloji sibunit. Gama e materialeve poroze të karbonit. Materialet mbrojtëse dhe thithëse të radios. Qeramika fosfat-kalcium është një biopolimer për rigjenerimin e indit kockor.

abstrakt, shtuar më 13.05.2011


Llojet dhe karakteristikat e tubave plastikë, vërtetimi i zgjedhjes së metodës së lidhjes së tyre, parimet e bashkimit. Rregulla të përgjithshme për saldimin me prapanicë të plastikës dhe tuba polipropileni... Teknologjia e saldimit me fole. Parimet dhe fazat e instalimit të tubave të polipropilenit.

Shpikja ka të bëjë me fushën e pastrimit të thithjes së ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore me një përmbajtje të lartë të titanit dhe përbërjeve të tij dhe mund të përdoret për pastrimin e ujit për të marrë ujë të pijshëm të sigurt. Një metodë për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe përbërësit e tij përfshin vënien në kontakt të ujit të kontaminuar me një adsorbent, ku nanotubat e karbonit përdoren si adsorbent, të cilët vendosen në një banjë tejzanor dhe veprojnë në nanotubat e karbonit dhe ujin e pastruar në një mënyrë të 1-15 min, me ultratinguj me frekuencë 42 kHz dhe fuqi 50 vat. Rezultati teknik konsiston në pastrimin 100% të ujit nga titani dhe komponimet e tij për shkak të karakteristikave shumë të larta të absorbimit të nanotubave të karbonit. 4 dwg, 2 tbl, 4 p.sh

Vizatimet në patentën RF 2575029

Shpikja ka të bëjë me fushën e pastrimit të absorbimit të ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore me një përmbajtje të lartë të titanit dhe përbërësve të tij dhe mund të përdoret për të pastruar ujërat nga titani dhe përbërësit e tij për të marrë ujë të pijshëm të sigurt.

Një metodë e njohur e pastrimit të ujit nga jonet Metalet e renda, sipas të cilit, për pastrim, përdoret si adsorbent një adsorbent natyral i aktivizuar i kalcinuar, i cili është një shkëmb silici i një përbërjeje minerale të përzier të depozitave të Tatarstanit, që përmban wt%: opalkristobolit 51-70, zeolitit 9-25, përbërës balte. - mont morillonite, hidromica 7-15, kalcit 10-25, etj. [Patenta RF 2150997, IPC B01G 20/16, B01G 20/26, publ. 20.06.2000]. Disavantazhi i kësaj metode është përdorimi i acidit klorhidrik për aktivizimin e materialit, i cili kërkon pajisje që janë rezistente ndaj mjediseve agresive. Për më tepër, metoda përdor një shkëmb mjaft të rrallë me përbërje minerale komplekse dhe nuk ka të dhëna për përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij.

Një metodë e njohur e prodhimit të adsorbentit të grimcuar bazuar në shungit [Ed.St. BRSS Nr. 822881, IPC B01G 20/16, publ. 23.04.1981].

Disavantazhi i kësaj metode është përdorimi i një shungiti mineral të rrallë, i cili është modifikuar paraprakisht me nitrat amoniumi, i kalcinuar në temperaturë të lartë, e cila kërkon pajisje të përshtatshme dhe konsum të energjisë, si dhe përpunim në mjedise agresive. Nuk ka të dhëna për efektivitetin e pastrimit të ujit nga titani.

Ekziston një metodë e njohur, e marrë si analog, e përftimit të sorbentëve organomineralë të bazuar në aluminosilikatet natyrale, përkatësisht zeolitin, duke modifikuar aluminosilikatin e trajtuar më parë me nxehtësi me polisakaride, në veçanti chitosan [RF Patent Nr. 2184607, IPC C02F 1/56, B01J 20/32, B01J 20/26 , B01J 20/12, publ. 10.07.2002]. Metoda bën të mundur marrjen e sorbentëve të përshtatshëm për pastrimin efektiv të solucioneve ujore nga jonet metalike dhe ngjyra organike të natyrave të ndryshme.

Disavantazhet e sorbenteve të marra me metodën e përshkruar janë shkalla e lartë e shpërndarjes së tyre, e cila nuk lejon pastrimin e ujit nga rryma përmes shtresës sorbent (filtri bllokohet shpejt), si dhe mundësia e larjes së shtresës së kitozanit nga sorbent. me kalimin e kohës për shkak të mungesës së fiksimit të tij në bazë minerale dhe jo të dhënave për heqjen efektive të përbërjeve të metaleve të rënda, si titani dhe përbërjet e tij.

Është përshkruar një metodë e qartësimit dhe asgjësimit të ujërave industriale të objekteve filtruese të impianteve të trajtimit të ujit [Patenta për shpikjen RU Nr. 2372297, IPC C02F 1/5, C02F 103/04, publ. 10.11.2009].

Thelbi i shpikjes qëndron në përdorimin e një mpiksjeje komplekse, e cila është një përzierje e solucioneve ujore të sulfatit dhe oksikloridit të aluminit në një raport doze prej 2: 1 për oksidin e aluminit.

Kjo patentë ofron shembuj të pastrimit të ujit nëntokësor për furnizimin me ujë të pijshëm.

Disavantazhi i metodës së përshkruar është efikasiteti i ulët i pastrimit nga papastërtitë, 46% e sedimentit notoi, dhe pjesa tjetër ishte në pezullim.

Një metodë e njohur e pastrimit të ujit me trajtim në tubacionin e furnizimit me një flokulant kationik [RF Patent Nr. 2125540, IPC C02F 1/00, publ. 27.01.1999].

Shpikja ka të bëjë me metodat e pastrimit të ujit të ulluqeve sipërfaqësore dhe mund të përdoret në fushën e furnizimit me ujë të pijshëm shtëpiak ose teknik.

Thelbi i shpikjes: përveç flokulantit, një koagulant mineral futet në tubacion në një raport të masës me flokulantin nga 40: 1 në 1: 1.

Metoda siguron një rritje të efikasitetit të grumbullimit të lëndëve të ngurta të pezulluara, gjë që bën të mundur uljen e turbulltësisë së ujit të vendosur me 2-3 herë. Pas përdorimit të kësaj metode, kërkohet sedimentim i mëtejshëm i plotë në rezervuarët e sedimentimit. Kështu, sipas metodës së përshkruar, nuk u arrit pastrimi 100% nga metalet, ngurtësia e ujit u ul nga 5.7 mEq / L në 3 mEq / L, turbullira u ul në 8.0 mg / L.

Disavantazhi i analogut është efikasiteti i ulët i pastrimit nga metalet dhe papastërtitë organike; nuk ka të dhëna për përmbajtjen e titanit.

Përshkroi efikasitetin e thithjes së nanotubave të karbonit (CNT), si bazë për një teknologji inovative për pastrimin e përzierjeve ujë-etanol [Zaporotskova NP. dhe Buletini tjetër i VolSU, seria 10, nr. 5, 2011, 106 f.].

Në këtë punim janë kryer studime kuanto-mekanike të proceseve të adsorbimit të molekulave të alkooleve të rënda në sipërfaqen e jashtme të nanotubave karboni me një mur.

Disavantazhi i aktivitetit të përshkruar të thithjes së CNT-ve janë vetëm llogaritjet teorike kuanto-mekanike, dhe studime eksperimentale janë kryer për alkoolet. Nuk ka shembuj për heqjen e metaleve.

Efekti pozitiv i nanotubave të karbonit në procesin e pastrimit të përzierjeve ujë-etanol është vërtetuar.

Aktualisht, shpresat e veçanta në zhvillimin e shumë fushave të shkencës dhe teknologjisë lidhen me nanotubat e karbonit CNT [Harris P. Nanotubat e karbonit dhe strukturat përkatëse. Materialet e reja të shekullit XXI. - M .: Teknosferë, 2003. - 336 f.].

Një tipar i jashtëzakonshëm i CNT-ve lidhet me karakteristikat e tyre unike të thithjes [Eletsky A.V. Vetitë thithëse të nanostrukturave të karbonit. - Përparimet në shkencat fizike. - 2004. -T. 174, nr 11. - S. 1191-1231].

Një filtër i bazuar në nanotuba karboni për pastrimin e lëngjeve që përmbajnë alkool është përshkruar [Polikarpova N.P. dhe Buletini tjetër i VolSU, seria 10, nr. 6, 2012, 75 f.]. Janë kryer eksperimente për pastrimin e lëngjeve që përmbajnë alkool me metodat e filtrimit dhe transmetimit; është vendosur fraksioni masiv i CNT-ve, gjë që çon në rezultatin më të mirë.

Studimet eksperimentale të kryera kanë treguar se trajtimi i një përzierjeje ujë-etanol me CNT ndihmon në uljen e përmbajtjes së vajrave të fuselit dhe substancave të tjera. Disavantazhi i këtij analogu është mungesa e të dhënave për pastrimin e ujit nga metalet.

Në këtë punim u studiua thithja / desorbimi i Zn (II) në cikle të njëpasnjëshme me karbon të aktivizuar dhe CNT. Adsorbimi i Zn (II) në karbonin aktiv u ul ndjeshëm pas disa cikleve, gjë që shpjegohet me heqjen e ulët të joneve metalike nga sipërfaqja e brendshme e poreve të karbonit të aktivizuar.

Natyra hidrofobike e CNT-ve përcakton ndërveprimin e tyre të dobët me molekulat e ujit, duke krijuar kushte për rrjedhjen e lirë të tij.

Noy A., Park H. G., Fornasiero F., Holt J. K., Grigoropoulos C. P. dhe Bakajin O. Nanofluidics në nanotuba karboni // Nano Sot. 2007, vëll. 2, nr. 6, fq. 22-29.

Kapaciteti adsorbues i CNT-ve varet nga prania e grupeve funksionale në sipërfaqen e adsorbentit dhe nga vetitë e adsorbatit.

Për shembull, prania e grupeve karboksile, laktonike dhe fenolike rrit kapacitetin e absorbimit për substancat polare.

CNT-të, në sipërfaqen e të cilave nuk ka grupe funksionale, karakterizohen nga një kapacitet i lartë absorbues për ndotësit jopolarë.

Një nga mënyrat për të krijuar një membranë është rritja e CNT-ve në një sipërfaqe silikoni duke përdorur avujt që përmbajnë karbon duke përdorur nikelin si katalizator.

CNT-të janë struktura molekulare që ngjajnë me kashtë të bërë nga fletë karboni me një trashësi prej një fraksioni të një nanometri 10 -9 m, në fakt, është një shtresë atomike e grafitit të zakonshëm të përdredhur në një tub - një nga materialet më premtuese në fushë. të nanoteknologjisë. CNT-të mund të kenë gjithashtu një strukturë të zgjeruar [WCG website http://www.worldcommunitygrid.org/].

Teknologjia e membranës, e cila përdoret gjerësisht për të marrë ujë të pijshëm për banorët e planetit tonë.

Ka dy disavantazhe të rëndësishme - konsumi i energjisë dhe ndotja e membranës, të cilat mund të hiqen vetëm me metoda kimike.

Membranat prodhuese dhe kundër ndotjes mund të krijohen në bazë të nanotubave të karbonit ose grafenit [M. Majumder et al. Natyra 438, 44 (2005)].

Më e afërta me shpikjen e pretenduar për sa i përket thelbit teknik dhe rezultatit të arritur është një metodë e prodhimit të sorbentëve për pastrimin e ujit [Patenta RF 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, publ. 01.12.2004]. Kjo patentë është marrë si një prototip. Kjo metodë ka të bëjë me fushën e pastrimit të ujit me thithje, veçanërisht me prodhimin e sorbenteve dhe metodave të pastrimit, dhe mund të përdoret për të pastruar ujin e pijshëm ose industrial me përmbajtje të lartë të joneve të metaleve të rënda dhe substancave organike polare. Metoda përfshin përpunimin e aluminosilikatit natyror me një zgjidhje të kitozanit në acid acetik të holluar në një raport të aluminosilikatit me një zgjidhje të kitozanit të barabartë me 1: 1 në pH 8-9.

Tabela 1 tregon Karakteristikat krahasuese sorbentët e marrë sipas shpikjes, të marra si prototip [Patenta 2277013]. Janë dhënë shembuj të thithjes në lidhje me ngjyrat dhe thithjen e joneve të bakrit, hekurit dhe metaleve të tjera nga tretësirat.

Disavantazhi i prototipit është kapaciteti i ulët i absorbimit në lidhje me metalet e rënda (COE) mg / l për bakrin Cu +2 (nga 3.4 në 5.85), nuk ka të dhëna për përthithjen e titanit dhe përbërjeve të tij. COE, mg / l për Fe +3 varion nga 3.4 në 6.9.

Qëllimi i shpikjes është të zhvillojë një metodë për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe përbërjet e tij duke përdorur nanotuba karboni dhe ultratinguj, e cila do të lejojë marrjen e ujit të pastër të pijshëm me cilësi të lartë, rritjen e efikasitetit të pastrimit të ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore për shkak të karakteristika të larta të adsorbimit të CNT-ve.

Problemi zgjidhet me metodën e propozuar të pastrimit të ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe përbërjet e tij duke përdorur CNT, duke vepruar me ultratinguj 50 W në një frekuencë ultratinguj prej 42 kHz për 1-15 minuta.

Metoda kryhet si më poshtë. Adsorbent është një nanotub karboni me një mur të vetëm i aftë për të bashkëvepruar në mënyrë aktive me atomet e titanit dhe kationet e tij (Ti, Ti +2, Ti +4).

Një gram CNT me pastërti 98% shtohet në 99 g ujë për të hequr Ti, Ti +2, Ti +4, dhe më pas e gjithë përmbajtja vendoset në një banjë ultrasonike UX-3560 dhe sonikohet për 1-15 minuta me një fuqi. prej 50 W dhe me ultratinguj me frekuencë 42 kHz.

Pas filtrimit, ekzaminohen mostrat e ujit të marra për analizë. Analiza e emetimeve atomike përdoret për të përcaktuar përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij në mostrat e ujit përpara përpunimit të CNT-ve dhe pas përpunimit të mostrave të ujit me CNT në një banjë tejzanor.

"Metoda e propozuar për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe përbërjet e tij duke përdorur nanotuba karboni dhe ultratinguj" konfirmohet nga shembujt që do të përshkruhen më poshtë.

Zbatimi i metodës në përputhje me kushtet e specifikuara ju lejon të merrni ujë absolutisht të pastër me përmbajtje zero të titanit dhe përbërjeve të tij (Ti, Ti +2, Ti +4).

Rezultati teknik arrihet nga fakti se CNT funksionon si kapilar, duke thithur atomet Ti dhe kationet e titanit Ti +2 dhe Ti +4, madhësitë e të cilave janë të krahasueshme me diametrin e brendshëm të CNT. Diametri i CNT-ve varion nga 4,8 Å në 19,6 Å, në varësi të kushteve për marrjen e CNT-ve.

Është vërtetuar eksperimentalisht se zgavrat e CNT-ve janë të mbushura në mënyrë aktive me elementë të ndryshëm kimikë.

Një tipar i rëndësishëm që i dallon CNT-të nga materialet e tjera të njohura është prania e një zgavër të brendshme në nanotub. Atomi Ti dhe kationet e tij Ti +2, Ti +4 depërtojnë në CNT nën ndikimin e presionit të jashtëm ose si rezultat i efektit kapilar dhe mbahen atje për shkak të forcave të thithjes [Dyachkov P.N. Nanotubat e karbonit: struktura, vetitë, aplikimi. - M .: Binom. Laboratori i njohurive, 2006. - 293 f.].

Kjo mundëson adsorbimin selektiv nga nanotubat. Për më tepër, sipërfaqja e lakuar fort e CNT-ve bën të mundur përthithjen e atomeve dhe molekulave mjaft komplekse në sipërfaqen e saj, në veçanti, Ti, Ti +2, Ti +4.

Në të njëjtën kohë, efikasiteti i nanotubave është dhjetëra herë më i lartë se aktiviteti i absorbuesve të grafitit, të cilët janë aktualisht mjetet më të përhapura të pastrimit. CNT-të mund të thithin papastërtitë si në sipërfaqen e jashtme ashtu edhe në atë të brendshme, gjë që lejon adsorbimin selektiv.

Prandaj, CNT-të mund të përdoren për pastrimin përfundimtar të lëngjeve të ndryshme nga papastërtitë me përqendrime ultra të ulëta.

CNT-të kanë një sipërfaqe tërheqëse të lartë specifike të materialit CNT, duke arritur vlerat 600 m2/g dhe më shumë.

Një sipërfaqe kaq e lartë specifike, disa herë më e lartë se sipërfaqja specifike e sorbentëve më të mirë modernë, hap mundësinë e përdorimit të tyre për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga metalet e rënda, në veçanti Ti, Ti +2, Ti + 4.

Sinteza e CNT-ve. Duke përdorur instalimin për sintezën e nanotubave të karbonit CVDomna, u përftua një nanomaterial karboni CNT, i cili u përdor për të pastruar ujërat sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe komponimet e tij.

Janë kryer studime eksperimentale mbi pastrimin e ujit nga titani dhe komponimet e tij.

Për të përcaktuar sasinë optimale të CNT-ve, është e nevojshme të sillni përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij në sasi jashtëzakonisht të vogla. Një përqendrim i tillë i CNT-ve u konstatua dhe në eksperimentet e mëvonshme u përdor përqendrimi optimal në sasinë prej 0,01 g për 1 L ujë të analizuar.

Analiza e emetimeve atomike tregoi praninë e Ti atomike dhe kationeve të tij (Ti +2, Ti +4) në mostrat e studiuara të ujit, nga ku mund të konkludohet se janë kationet e titanit dhe Ti +2, Ti +4 që ndërveprojnë me karbonin. nanotuba. Rrezja e atomit Ti është 147 pm, d.m.th. Kationet e titanit mund të ndërhyjnë në zgavrën e një nanotubi karboni dhe të absorbohen brenda (Fig. 1) dhe të absorbohen në sipërfaqen e jashtme të tij, duke formuar gjithashtu një strukturë urë me atome karboni të gjashtëkëndëshave (Fig. 2), duke formuar struktura të lidhura molekulare.

Futja e Ti dhe kationeve të tij në zgavrën e CNT është e mundur me afrimin hap pas hapi të Ti në nanotubin përgjatë boshtit të tij kryesor gjatësor dhe me depërtimin e atomeve të titanit dhe kationeve të tij në zgavrën e nanotubit me adsorbimin e tyre të mëtejshëm në pjesën e brendshme. sipërfaqja e CNT. Njihet gjithashtu një variant tjetër i adsorbimit të Ti, sipas të cilit një atom titani mund të krijojë lidhje të qëndrueshme Ti-C me atome karboni në pjesën e jashtme të një nanotubi karboni në dy raste të thjeshta, kur Ti është në 1/4 dhe 1/2 e të gjithëve. gjashtëkëndëshat (Fig. 3) ...

Kjo do të thotë, adsorbimi i titanit dhe kationeve të tij në sipërfaqen e CNT nuk është vetëm një fakt i provuar teorikisht, por edhe i provuar eksperimentalisht në kërkime.

Sorbenti i pretenduar është një konglomerat nanotubash karboni me një mur të vetëm të aftë për të bashkëvepruar në mënyrë aktive me titanin dhe kationet e tij, duke formuar lidhje të qëndrueshme dhe mundësinë e adsorbimit të atomeve të titanit dhe përbërjeve të tij në sipërfaqet e brendshme dhe të jashtme të CNT-ve me formimin e urës struktura me dy lidhje Ti-C, nëse Ti +2 ose katër për Ti +4. Kur pastrohet uji i kontaminuar me titan dhe komponimet e tij, përdoren CNT, titani absorbohet në sipërfaqet e CNT-ve për shkak të forcave van der Waals, domethënë titani dhe komponimet e tij nga një atom i lirë dhe kationet Ti +2 dhe Ti +4 bëhen lidhur në një lidhje molekulare (Fig. 4).

Mundësia e realizimit të shpikjes ilustrohet nga shembujt e mëposhtëm.

Shembulli 1. Ujërat nëntokësore nga një pus 1) me thellësi 40 m janë marrë për hulumtime mbi përmbajtjen e përbërjes elementare cilësore, si dhe për analiza sasiore për përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij para pastrimit me CNT dhe pas adsorbimit të CNT-ve. , dhe sonication. Koha e ekspozimit ndaj ultrazërit është 15 minuta. Përmbajtja e Ti dhe komponimeve të tij pas pastrimit është 0% (Tabela 2).

Shembulli 2. Ujërat nëntokësore nga një pus 2) 41 m i thellë, në ndryshim nga pusi 1) ky ujë ishte në një distancë prej 200 m nga pusi 1) Rezervuari Bereslavskoe (Volgograd). Koha e ekspozimit ndaj ultrazërit është 15 minuta. Përmbajtja e Ti dhe komponimeve të tij pas pastrimit është 0% sipas shpikjes aktuale (Tabela 2).

Shembulli 3. Uji i marrë nga një rubinet uji (rrethi Sovetsky, Volgograd) u pastrua duke përdorur CNT dhe ultratinguj për 15 minuta, me një fuqi prej 50 W dhe një frekuencë funksionimi me ultratinguj prej 42 kHz (Tabela 2).

Shembulli 4. Gjithçka është e njëjtë si në shembullin 1, por koha e ekspozimit ndaj ultrazërit është 1 min.

Shembulli 5. Uji nëntokësor nga një pus 1) me një thellësi prej 40 m u mor për analizë për përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij, dhe më pas iu nënshtrua pastrimit sipas prototipit [Patenta RU 2277013].

Koha e ekspozimit ndaj ultrazërit është 15 minuta (eksperimenti 1, 2, 3, 5). Koha e ekspozimit ndaj ultrazërit është 1 min (eksperimenti 4).

Përparësitë e metodës së pretenduar të bazuar në CNT përfshijnë shumë shkallë të lartë adsorbimi i titanit dhe komponimeve të tij. Sipas rezultateve të eksperimentit, në kushte optimale sigurohet pastrimi 100% i ujërave të studiuar nga titani dhe përbërësit e tij.

KERKESE

Një metodë për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe përbërësit e tij duke përdorur nanotuba karboni (CNT) dhe ultratinguj, duke përfshirë kontaktin e ujit të kontaminuar me adsorbentët për të kapur metalet e rënda, e karakterizuar në atë që nanotubat e karbonit përdoren si adsorbues, të cilët vendosen në banjë tejzanor, që vepron në CNT dhe ujë të pastruar në një modalitet 1-15 min, me një frekuencë ultratinguj prej 42 kHz dhe një fuqi prej 50 W.

Nanotubat e karbonit janë nesër teknologjive inovative... Prodhimi dhe zbatimi i nanotubuleneve do të përmirësojë cilësinë e mallrave dhe produkteve, duke ulur ndjeshëm peshën e tyre dhe duke rritur forcën e tyre, si dhe duke i pajisur me karakteristika të reja.

Nanotubat e karbonit ose nanostruktura tubulare (nanotubulen) janë struktura cilindrike të zbrazëta me një ose me shumë mure të krijuara artificialisht në kushte laboratorike, të marra nga atomet e karbonit dhe që zotërojnë veti të jashtëzakonshme mekanike, elektrofizike dhe fizike.

Nanotubat e karbonit janë bërë nga atomet e karbonit dhe kanë formë si tuba ose cilindra. Ato janë shumë të vogla (në shkallë nano), që variojnë në diametër nga një deri në disa dhjetëra nanometra dhe deri në disa centimetra të gjata. Nanotubat e karbonit përbëhen nga grafiti, por kanë karakteristika të tjera që nuk janë të natyrshme në grafit. Ata nuk ekzistojnë në natyrë. Origjina e tyre është artificiale. Trupi i nanotubave është sintetik, i krijuar nga njerëzit në mënyrë të pavarur nga fillimi në fund.

Nëse shikoni një nanotub të zmadhuar një milion herë, mund të shihni një cilindër të zgjatur, të përbërë nga gjashtëkëndësha barabrinjës me atome karboni në kulmet e tyre. Ky është një aeroplan grafiti i mbështjellë në një tub. Kiraliteti i një nanotubi përcakton karakteristikat dhe vetitë e tij fizike.

I zmadhuar një milion herë, një nanotub është një cilindër i zgjatur i përbërë nga gjashtëkëndësha barabrinjës me atome karboni në majë të tyre. Ky është një aeroplan grafiti i mbështjellë në një tub.

Kiraliteti është veti e një molekule që të mos kombinohet në hapësirë ​​me imazhin e saj pasqyrues.

Për ta thënë më qartë, kiraliteti është kur palosni, për shembull, një fletë letre në mënyrë të barabartë. Nëse në mënyrë të pjerrët, atëherë ky është ahiralitet. Nanotubulenet mund të kenë struktura të vetme ose shumështresore. Një strukturë shumështresore nuk është gjë tjetër veçse disa nanotuba me një mur, të "veshur" një nga një.

Historia e zbulimit

Data e saktë e zbulimit të nanotubave dhe zbuluesi i tyre nuk dihen. Kjo temë është ushqim për polemika dhe arsyetim, pasi ka shumë përshkrime paralele të këtyre strukturave nga shkencëtarë nga vende të ndryshme. Vështirësia kryesore në identifikimin e zbuluesit është se nanotubat dhe nanofibrat, që bien në fushën e vizionit të shkencëtarëve, për një kohë të gjatë nuk tërhoqën vëmendjen e tyre të ngushtë dhe nuk u hetuan plotësisht. Punimet shkencore ekzistuese vërtetojnë se mundësia e krijimit të nanotubave dhe fibrave nga materialet që përmbajnë karbon u lejua teorikisht në gjysmën e dytë të shekullit të kaluar.

Arsyeja kryesore pse studimet serioze të përbërjeve të karbonit mikron nuk janë kryer për një kohë të gjatë është se në atë kohë shkencëtarët nuk kishin një bazë shkencore mjaftueshëm të fuqishme për kërkime, domethënë, nuk kishte pajisje të aftë për të rritur objektin e studimit në shtrirjen e kërkuar dhe shkëlqim përmes strukturës së tyre. ...

Nëse i rregullojmë ngjarjet në studimin e përbërjeve të nanokarbonit në rend kronologjik, atëherë provat e para bien në vitin 1952, kur shkencëtarët sovjetikë Radushkevich dhe Lukyanovich tërhoqën vëmendjen ndaj strukturës nanofibroze të formuar gjatë dekompozimit termik të monoksidit të karbonit (emri rus është oksid) . Struktura e vëzhguar me pajisje mikroskopike elektronike kishte fibra me diametër rreth 100 nm. Për fat të keq, gjërat nuk shkuan më tej sesa rregullimi i nanostrukturës së pazakontë dhe nuk pasuan kërkime të mëtejshme.

Pas 25 vitesh neglizhencë, që nga viti 1974, informacioni për ekzistencën e strukturave tubulare me madhësi mikron, të bëra nga karboni, fillon të dalë në gazeta. Pra, një grup shkencëtarësh japonezë (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) gjatë kërkimeve në vitet 1974-1975. rezultatet e një sërë studimesh të tyre iu prezantuan publikut të gjerë, të cilët përshkruanin tuba të hollë me diametër më të vogël se 100 Å, të cilët u përftuan nga avujt gjatë kondensimit. Gjithashtu, formimi i strukturave të zbrazëta me një përshkrim të strukturës dhe mekanizmit të formimit të marrë në studimin e vetive të karbonit u përshkrua nga shkencëtarët sovjetikë nga Instituti i Katalizës së Degës Siberiane të Akademisë së Shkencave të BRSS në 1977.

Å (Agström) është një njësi matëse për distancat e barabarta me 10−10 m. Në sistemin SI, një njësi e përmasave afër një angstrom është një nanometër (1 nm = 10 Å).

Fullerenet janë molekula të zbrazëta, sferike në formën e një topi ose topi regbi.

Fullerenet janë modifikimi i katërt, i panjohur më parë, i karbonit, i zbuluar nga kimisti dhe astrofizikani anglez Harold Kroto.

Dhe vetëm pasi përdori pajisjet më të fundit në kërkimin e tij shkencor, i cili lejon një ekzaminim dhe transmetim të hollësishëm të strukturës së karbonit të nanotubave, shkencëtari japonez Sumio Iijima kreu studimet e para serioze në vitin 1991, si rezultat i të cilave u bë e mundur eksperimentalisht merrni nanotuba karboni dhe studioni ato në detaje. ...

Në kërkimin e tij, profesor Ijima, për të marrë një prototip, veproi në grafitin e atomizuar me një shkarkesë harku elektrik. Prototipi është matur me kujdes. Dimensionet e tij treguan se diametri i filamenteve (kornizës) nuk i kalon disa nanometra, me një gjatësi nga një deri në disa mikronë. Duke studiuar strukturën e një nanotubi karboni, shkencëtarët zbuluan se objekti në studim mund të ketë nga një deri në disa shtresa të përbërë nga një rrjet gjashtëkëndor grafiti i bazuar në gjashtëkëndësh. Në këtë rast, skajet e nanotubave ngjajnë strukturisht me gjysmën e një molekule fullerene të prerë në dysh.

Në kohën e studimeve të mësipërme, kishte tashmë punime nga shkencëtarë të tillë të njohur në fushën e tyre si Jones, L.A. Chernozatonsky, M.Yu. Kornilov, duke parashikuar mundësinë e formimit të një forme të caktuar alotropike të karbonit, duke përshkruar strukturën e tij, vetitë fizike, kimike dhe të tjera.

Struktura shumështresore e një nanotubi nuk është gjë tjetër veçse disa nanotubulena me një shtresë, të "veshur" një nga një sipas parimit të një kukulle foleje ruse.

Vetitë elektrofizike

Vetitë elektrofizike të nanotubave të karbonit janë në fazën e studimit më intensiv nga komunitetet shkencore në mbarë botën. Duke projektuar nanotuba në marrëdhënie të caktuara gjeometrike, është e mundur t'u jepet atyre veti përçuese ose gjysmëpërçuese. Për shembull, diamanti dhe grafiti janë karboni, por për shkak të ndryshimit në strukturën molekulare, ato kanë veti të ndryshme, dhe në disa raste të kundërta. Nanotuba të tillë quhen metalikë ose gjysmëpërçues.

Nanotubat që përçojnë rrymë elektrike edhe në temperatura zero absolute janë metalikë. Përçueshmëria zero e rrymës elektrike në zero absolute, e cila rritet me rritjen e temperaturës, tregon një shenjë të një nanostrukture gjysmëpërçuese.

Klasifikimi kryesor shpërndahet sipas metodës së rrotullimit të planit të grafitit. Metoda e rrotullimit përcaktohet nga dy numra: "m" dhe "n", të cilët vendosin drejtimin e rrotullimit përgjatë vektorëve të rrjetës së grafitit. Vetitë e nanotubave varen nga gjeometria e rrotullimit të planit të grafitit, për shembull, këndi i rrotullimit ndikon drejtpërdrejt në vetitë e tyre elektrofizike.

Në varësi të parametrave (n, m), nanotubat janë: të drejtë (akiral), të dhëmbëzuar (“poltronë”), zigzag dhe spirale (kirale). Për llogaritjen dhe planifikimin e përçueshmërisë elektrike, përdoret formula e raportit të parametrave: (n-m) / 3.

Një numër i plotë i marrë në llogaritjen tregon përçueshmërinë e një nanotubi të llojit metalik, dhe një numër i pjesshëm - një gjysmëpërçues. Për shembull, të gjitha tubat e kolltukëve janë metal. Nanotubat e karbonit të një lloji metalik kryejnë një rrymë elektrike në zero absolute. Nanotubulenet e tipit gjysmëpërçues kanë përçueshmëri zero në zero absolute, e cila rritet me rritjen e temperaturës.

Nanotubat me një lloj përçueshmërie metalike mund të transmetojnë afërsisht një miliard amper për centimetër katror. Bakri, duke qenë një nga përçuesit më të mirë metalikë, është inferior ndaj nanotubave në këta tregues për më shumë se një mijë herë. Kur tejkalohet kufiri i përçueshmërisë, ndodh ngrohja, e cila shoqërohet me shkrirjen e materialit dhe shkatërrimin e rrjetës molekulare. Kjo nuk ndodh me nanotubulenët në kushte të barabarta. Kjo është për shkak të përçueshmërisë së tyre termike shumë të lartë, e cila është dyfishi i diamantit.

Për sa i përket forcës, nanotubuleni gjithashtu lë materiale të tjera shumë prapa. Është 5–10 herë më i fortë se lidhjet më të forta të çelikut (1,28–1,8 TPa moduli Young) dhe ka një elasticitet 100 mijë herë më të lartë se goma. Nëse krahasojmë treguesit e forcës në tërheqje, atëherë ato tejkalojnë karakteristikat e ngjashme të forcës së çelikut me cilësi të lartë me 20-22 herë!

Si e merrni OKB-në

Nanotubat prodhohen me metoda të temperaturës së lartë dhe temperaturës së ulët.

Metodat me temperaturë të lartë përfshijnë ablacionin me lazer, teknologjinë diellore ose shkarkimin e harkut elektrik. Procesi i temperaturës së ulët përfshin depozitimin kimik të avullit duke përdorur dekompozimin katalitik të hidrokarbureve, rritjen katalitike të fazës së gazit nga monoksidi i karbonit, prodhimin me elektrolizë, trajtimin termik të polimerit, pirolizën lokale në temperaturë të ulët ose katalizën lokale. Të gjitha metodat janë të vështira për t'u kuptuar, të teknologjisë së lartë dhe shumë të shtrenjta. Prodhimi i nanotubave mund të përballohet vetëm nga një ndërmarrje e madhe me një bazë të fuqishme shkencore.

I thjeshtuar, procesi i prodhimit të nanotubave nga karboni me metodën e harkut është si më poshtë:

Një plazma në gjendje të gaztë injektohet në një reaktor të ngrohur në një temperaturë të caktuar me një lak të mbyllur përmes një aparati injektimi. Në reaktor, në pjesët e sipërme dhe të poshtme, janë instaluar mbështjellje magnetike, njëra prej të cilave është anoda, dhe tjetra është katoda. Një rrymë elektrike konstante furnizohet me bobinat magnetike. Plazma në reaktor ndikohet nga një hark elektrik, i cili rrotullohet nga një fushë magnetike. Nën veprimin e një harku elektroplazmatik me temperaturë të lartë nga sipërfaqja e anodës, e cila përbëhet nga një material që përmban karbon (grafit), karboni avullohet ose "rrjedh" dhe kondensohet në katodë në formën e nanotubave të karbonit që përmbahen në precipitojnë. Në mënyrë që atomet e karbonit të kondensohen në katodë, temperatura në reaktor ulet. Madje Përshkrim i shkurtër Kjo teknologji bën të mundur vlerësimin e kompleksitetit dhe kostos së marrjes së nanotubuleneve. Do të duhet shumë kohë përpara se procesi i prodhimit dhe aplikimit të bëhet i disponueshëm për shumicën e ndërmarrjeve.

Fotogaleri: Skema dhe pajisje për marrjen e nanotubave nga karboni

Instalim për sintezën e nanotubave të karbonit me një mur me metodën e harkut elektrik Instalim shkencor i fuqisë së ulët për marrjen e nanostrukturës tubulare
Metoda e marrjes me temperaturë të ulët

Instalim për prodhimin e nanotubave të gjatë të karbonit

A janë toksike?

Definitivisht po.

Në vazhdim kërkime laboratorike shkencëtarët kanë arritur në përfundimin se nanotubat e karbonit kanë një efekt negativ në organizmat e gjallë. Kjo, nga ana tjetër, konfirmon toksicitetin e nanotubave dhe gjithnjë e më pak shkencëtarë duhet të dyshojnë në këtë çështje të rëndësishme.

Studimet kanë treguar se ndërveprimi i drejtpërdrejtë i nanotubave të karbonit me qelizat e gjalla çon në vdekjen e tyre. Veçanërisht nanotubat me një mur kanë një aktivitet të fortë antimikrobik. Eksperimentet që shkencëtarët filluan të kryejnë në një kulturë të përhapur të mbretërisë së baktereve (Escherichia coli) E-Coli. Në procesin e kërkimit u përdorën nanotuba me një mur me një diametër prej 0,75 deri në 1,2 nanometra. Siç kanë treguar eksperimentet, si rezultat i ndikimit të nanotubave të karbonit në një qelizë të gjallë, muret e qelizave (membranat) dëmtohen mekanikisht.

Nanotubat e prodhuar me metoda të tjera përmbajnë një sasi të madhe metalesh dhe papastërti të tjera toksike. Shumë shkencëtarë supozojnë se vetë toksiciteti i nanotubave të karbonit nuk varet nga morfologjia e tyre, por lidhet drejtpërdrejt me papastërtitë që përmbahen në to (nanotubat). Megjithatë, puna e kryer nga shkencëtarët nga Yale në fushën e kërkimit mbi nanotubat tregoi një keqkuptim të shumë komuniteteve. Kështu, bakteret e Escherichia coli (E-Coli) në procesin e hulumtimit u trajtuan me nanotuba karboni me një mur për një orë. Si rezultat, shumica e E-Coli vdiqën. Të dhënat kërkimore në fushën e nanomaterialeve kanë konfirmuar toksicitetin e tyre dhe efektet negative në organizmat e gjallë.

Shkencëtarët kanë arritur në përfundimin se nanotubat me një mur janë më të rrezikshmit, kjo për shkak të raportit proporcional të gjatësisë së një nanotubi karboni me diametrin e tij.

Studime të ndryshme në lidhje me efektin e nanotubave të karbonit në trupin e njeriut i kanë çuar shkencëtarët në përfundimin se efekti është identik, si në rastin e gëlltitjes së fibrave të asbestit në trup. Shkalla e ndikimit negativ të fibrave të asbestit varet drejtpërdrejt nga madhësia e tyre: sa më i vogël, aq më i fortë është ndikimi negativ. Dhe në rastin e nanotubave të karbonit, nuk ka dyshim për efektin e tyre negativ në trup. Duke hyrë në trup së bashku me ajrin, nanotubi vendoset në gjoks përmes pleurës, duke shkaktuar kështu komplikime serioze, në veçanti, tumore kanceroze. Nëse depërtimi i nanotubuleneve në organizëm ndodh nëpërmjet ushqimit, atëherë ato depozitohen në muret e stomakut dhe të zorrëve, duke shkaktuar sëmundje dhe komplikime të ndryshme.

Aktualisht, shkencëtarët po kryejnë kërkime mbi përputhshmërinë biologjike të nanomaterialeve dhe kërkimin e teknologjive të reja për prodhimin e sigurt të nanotubave të karbonit.

Perspektivat

Nanotubat e karbonit kanë një gamë të gjerë aplikimesh. Kjo për faktin se ato kanë një strukturë molekulare në formën e një kornize, duke i lejuar kështu të kenë veti që ndryshojnë nga diamanti ose grafiti. Për shkak të veçorive të tyre dalluese (fortësia, përçueshmëria, përkulja) nanotubat e karbonit përdoren më shpesh në krahasim me materialet e tjera.

Kjo shpikje e karbonit përdoret në elektronikë, optikë, inxhinieri mekanike, etj. Nanotubat e karbonit përdoren si aditivë për polimere dhe përbërës të ndryshëm për të rritur forcën e përbërjeve molekulare. Në fund të fundit, të gjithë e dinë se rrjeta molekulare e përbërjeve të karbonit ka forcë të jashtëzakonshme, veçanërisht në formën e saj të pastër.

Nanotubat e karbonit përdoren gjithashtu në prodhimin e kondensatorëve dhe llojeve të ndryshme të sensorëve, anodave, të cilat janë të nevojshme për prodhimin e baterive, si absorbues i valëve elektromagnetike. Kjo përbërje karboni përdoret gjerësisht në prodhimin e rrjeteve të telekomunikacionit dhe ekraneve me kristal të lëngshëm. Gjithashtu, nanotubat përdoren si një përmirësues katalitik në prodhimin e pajisjeve të ndriçimit.

Aplikim komercial

Tregu	Aplikacion	Vetitë e përbërjeve të bazuara në nanotubat e karbonit
Makina	Pjesët e sistemit të karburantit dhe linjat e karburantit (lidhës, pjesë të pompës, unaza O, tuba), pjesë të jashtme të trupit për lyerje elektronik (parakolp, kapakë pasqyrash, kapakë të rezervuarit të karburantit)	Balancë e përmirësuar e vetive në krahasim me karbonin e zi, riciklueshmëri për pjesë të mëdha, rezistencë ndaj deformimeve
Elektronikë	Mjete dhe pajisje teknologjike, kaseta për vafera gjysmëpërçuese, shirita transportues, blloqe lidhëse, pajisje për dhoma të pastra	Pastërti e përmirësuar e përzierjes në krahasim me fibrat e karbonit, kontrolli i rezistencës së sipërfaqes, aftësia e përpunimit për derdhjen e pjesëve të holla, rezistenca ndaj deformimit, ekuilibri i vetive, mundësi alternative të përzierjeve plastike në krahasim me fibrat e karbonit

Nanotubat e karbonit nuk kufizohen në një kornizë specifike për përdorim në industri të ndryshme industrisë. Materiali u shpik relativisht kohët e fundit, dhe, për këtë arsye, tani përdoret gjerësisht në zhvillimet dhe kërkimet shkencore në shumë vende të botës. Kjo është e nevojshme për një studim më të detajuar të vetive dhe karakteristikave të nanotubave të karbonit, si dhe për krijimin e prodhimit në shkallë të gjerë të materialit, pasi ai aktualisht zë një pozicion mjaft të dobët në treg.

Nanotubat e karbonit përdoren për të ftohur mikroprocesorët

Për shkak të vetive të tyre të mira përçuese, përdorimi i nanotubave të karbonit në inxhinierinë mekanike zë një gamë të gjerë. Ky material përdoret si pajisje për ftohjen e njësive me dimensione masive. Kjo është kryesisht për shkak të faktit se nanotubat e karbonit kanë një përçueshmëri të lartë termike specifike.

Përdorimi i nanotubave në zhvillimin e teknologjisë kompjuterike luan një rol të rëndësishëm në industrinë e elektronikës. Falë përdorimit të këtij materiali, është krijuar prodhimi për prodhimin e ekraneve mjaft të sheshta. Kjo kontribuon në lëshimin e pajisjeve kompjuterike me dimensione kompakte, por në të njëjtën kohë, karakteristikat teknike të kompjuterëve elektronikë nuk humbasin, por madje rriten. Përdorimi i nanotubave të karbonit në zhvillimin e teknologjive kompjuterike dhe industrisë elektronike do të mundësojë arritjen e prodhimit të pajisjeve që do të jenë disa herë më superiore për sa i përket Specifikimet teknike analoge aktuale. Mbi bazën e këtyre studimeve, tashmë po krijohen kineskopët e tensionit të lartë.

Procesori i parë me nanotube karboni

Problemet e përdorimit

Një nga problemet e përdorimit të nanotubave është efekti negativ në organizmat e gjallë, gjë që vë në dyshim përdorimin e këtij materiali në mjekësi. Disa ekspertë spekulojnë se në procesin e prodhimit në masë të nanotubave të karbonit mund të shfaqen rreziqe të pallogaritshme. Kjo do të thotë, si rezultat i zgjerimit të fushave të aplikimit të nanotubave, do të ketë nevojë për prodhimin e tyre në shkallë të gjerë dhe, në përputhje me rrethanat, do të ketë një kërcënim për mjedisin.

Shkencëtarët propozojnë të kërkojnë mënyra për të zgjidhur këtë problem në aplikimin e metodave dhe metodave më miqësore me mjedisin për prodhimin e nanotubave të karbonit. U sugjerua gjithashtu që prodhuesit e këtij materiali të kenë një qasje serioze ndaj çështjes së "pastrimit" të pasojave të teknologjisë së procesit CVD, e cila, nga ana tjetër, mund të ndikojë në rritjen e kostos së produkteve të prodhuara.

Foto e ndikimit negativ të nanotubave në qeliza a) Qelizat E. coli përpara ndikimit të nanotubave; b) qelizat pas ekspozimit ndaj nanotubave

Në botën moderne, nanotubat e karbonit japin një kontribut të rëndësishëm në zhvillimin e teknologjive inovative. Ekspertët parashikojnë një rritje të prodhimit të nanotubave në vitet e ardhshme dhe ulje të çmimeve për këto produkte. Kjo, nga ana tjetër, do të zgjerojë fushën e aplikimit të nanotubave dhe do të rrisë kërkesën e konsumatorëve në treg.

Mbajtësit e patentës RU 2430879:

Shpikja ka të bëjë me nanoteknologjinë dhe mund të përdoret si përbërës i materialeve të përbëra. Nanotubat e karbonit me shumë shtresa prodhohen nga piroliza e hidrokarbureve duke përdorur katalizatorë që përmbajnë Fe, Co, Ni, Mo, Mn dhe kombinimet e tyre si përbërës aktivë, si dhe Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 si bartës. Nanotubat që rezultojnë pastrohen duke zier në një tretësirë ​​të acidit klorhidrik të ndjekur nga larja me ujë. Pas trajtimit me acid, ngrohja kryhet në një rrjedhë argon me pastërti të lartë në një furre me një gradient të temperaturës. Në zonën e punës së furrës, temperatura është 2200-2800 ° C. Në skajet e furrës, temperatura është 900-1000 ° C. Shpikja bën të mundur marrjen e nanotubave me shumë shtresa me një përmbajtje papastërtie metalike më pak se 1 ppm. 3 C.p. f-kristale, 9 dwg., 3 tbl.

Shpikja ka të bëjë me fushën e marrjes së nanotubave të karbonit me shumë shtresa (MCNT) me pastërti të lartë me një përmbajtje papastërtie metalike më pak se 1 ppm, të cilat mund të përdoren si përbërës të materialeve të përbëra për qëllime të ndryshme.

Për prodhimin masiv të MCNT-ve, përdoren metoda të bazuara në pirolizën e hidrokarbureve ose monoksidit të karbonit në prani të katalizatorëve metalikë të bazuar në metale të nëngrupit të hekurit [TW Ebbesen // Nanotubes karboni: Përgatitja dhe vetitë, CRC Press, 1997, f. .139-161; V. Shanov, Yeo-Heung Yun, MJ Schuiz // Sinteza dhe karakterizimi i materialeve të nanotubeve të karbonit (rishikim) // Journal of the University of Chemical Technology and Metalurgy, 2006, Nr. 4, v. 41, f.377-390 ; J.W.Seo; A. Magrez; M. Milas; K. Lee, V Lukovac, L. Forro // Nanotubat e karbonit të rritur në mënyrë katalitike: nga sinteza në toksicitet // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v. 40, n. 6]. Për shkak të kësaj, MWCNT-të e marra me ndihmën e tyre përmbajnë papastërti metalike të katalizatorëve të përdorur. Në të njëjtën kohë, për një numër aplikimesh, për shembull, për krijimin e pajisjeve elektrokimike dhe marrjen e materialeve të përbëra për qëllime të ndryshme, kërkohen MWCNT me pastërti të lartë që nuk përmbajnë papastërti metalike. MWCNT-të me pastërti të lartë kërkohen kryesisht për të marrë materiale të përbëra që i nënshtrohen trajtimit në temperaturë të lartë. Kjo për faktin se përfshirjet inorganike mund të jenë katalizatorë për grafitizimin lokal dhe, si rezultat, të fillojnë formimin e defekteve të reja në strukturën e karbonit [AS Fialkov // Karboni, komponimet ndërshtresore dhe kompozitat e bazuara në të, Aspect Press, Moskë , 1997, f.588 -602]. Mekanizmi i veprimit katalitik të grimcave metalike bazohet në bashkëveprimin e atomeve metalike me një matricë karboni me formimin e grimcave metal-karbon me lëshimin e mëvonshëm të formacioneve të reja të ngjashme me grafitin që mund të shkatërrojnë strukturën e përbërë. Prandaj, edhe përzierjet e vogla të metaleve mund të çojnë në shkelje të homogjenitetit dhe morfologjisë së materialit të përbërë.

Metodat më të zakonshme për heqjen e papastërtive nga nanotubat e karbonit katalitik bazohen në trajtimin e tyre me një përzierje acidesh me përqendrime të ndryshme gjatë ngrohjes, si dhe në kombinim me ekspozimin ndaj rrezatimit të mikrovalës. Megjithatë, disavantazhi kryesor i këtyre metodave është shkatërrimi i mureve të nanotubave të karbonit si rezultat i ekspozimit ndaj acideve të forta, si dhe shfaqja e një numri të madh grupesh funksionale të padëshiruara që përmbajnë oksigjen në sipërfaqen e tyre, gjë që e ndërlikon përzgjedhjen. të kushteve për trajtimin me acid. Në këtë rast, pastërtia e MWCNT-ve të marra është 96-98 wt%, pasi grimcat metalike të katalizatorit janë të kapsuluara në zgavrën e brendshme të nanotubit të karbonit dhe janë të paarritshme për reagentët.

Një rritje në pastërtinë e MCNT-ve mund të arrihet duke i ngrohur ato në temperatura mbi 1500 ° C duke ruajtur strukturën dhe morfologjinë e nanotubave të karbonit. Këto metoda bëjnë të mundur jo vetëm pastrimin e MWCNT nga papastërtitë metalike, por gjithashtu kontribuojnë në renditjen e strukturës së nanotubave të karbonit për shkak të pjekjes së defekteve të vogla, një rritje të modulit të Young, një ulje të distancës midis shtresave të grafitit dhe gjithashtu heqja e oksigjenit sipërfaqësor, i cili më tej siguron një shpërndarje më uniforme të nanotubave të karbonit në matricën polimere që kërkohet për të marrë materiale kompozite me cilësi më të mirë. Kalcinimi në një temperaturë prej rreth 3000 ° C çon në formimin e defekteve shtesë në strukturën e nanotubave të karbonit dhe zhvillimin e defekteve tashmë ekzistuese. Duhet të theksohet se pastërtia e nanotubave të karbonit të marra duke përdorur metodat e përshkruara nuk është më shumë se 99.9%.

Shpikja zgjidh problemin e zhvillimit të një metode për pastrimin e nanotubave të karbonit me shumë shtresa të marra nga piroliza katalitike e hidrokarbureve, me heqjen pothuajse të plotë të papastërtive të katalizatorit (deri në 1 ppm), si dhe papastërtitë e përbërjeve të tjera që mund të shfaqen gjatë trajtimit me acid të MCNT , duke ruajtur morfologjinë e nanotubave të karbonit.

Problemi zgjidhet me metodën e pastrimit të nanotubave të karbonit me shumë shtresa të marra nga piroliza e hidrokarbureve duke përdorur katalizatorë që përmbajnë si përbërës aktivë Fe, Co, Ni, Mo, Mn dhe kombinimet e tyre, si dhe Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 si bartës, i cili kryhet duke zier në një tretësirë ​​të acidit klorhidrik me larje të mëtejshme me ujë, pas trajtimit me acid, ngrohja kryhet në një rrjedhë argon me pastërti të lartë në një furrë me një gradient të temperaturës, në zonën e punës temperatura është 2200-2800 ° C, në skajet e furrës temperatura është 900-1000 ° C, si rezultat i së cilës merren nanotuba me shumë shtresa me një përmbajtje papastërtie metalike më pak se 1 ppm.

Ngrohja kryhet në ampula të bëra nga grafiti me pastërti të lartë.

Koha e ngrohjes në një rrjedhë argon është, për shembull, 15-60 minuta.

Argoni është përdorur me një pastërti prej 99,999%.

Një ndryshim domethënës i metodës është përdorimi i një furre me një gradient të temperaturës për pastrimin e MCNT, ku papastërtitë metalike avullojnë në zonën e nxehtë dhe grimcat metalike kondensohen në formën e topave të vegjël në zonën e ftohtë. Për të kryer transferimin e avujve metalikë, përdoret një rrjedhë argon me pastërti të lartë (me një pastërti prej 99,999%) me një shpejtësi të rrjedhës së gazit prej rreth 20 l / orë. Furra është e pajisur me vula speciale për të parandaluar ekspozimin ndaj gazeve atmosferike.

Desorbimi paraprak i oksigjenit të ujit dhe ajrit nga sipërfaqja e MWCNT dhe një ampule grafiti, në të cilën kampioni vendoset në një furrë grafiti, si dhe pastrimi i tyre me argon me pastërti të lartë, bëjnë të mundur shmangien e efektit të reaksioneve të transportit të gazit. që përfshin hidrogjen dhe gazra që përmbajnë oksigjen në MWCNT që pastrohen, duke çuar në një rishpërndarje të karbonit midis formave të tij shumë të shpërndara dhe formave të kristalizuara mirë të ngjashme me grafitin me energji të ulët sipërfaqësore (VLKuznetsov, Yu.V. Butenko, VIZaikovskii dhe ALChuvilin // Proceset e rishpërndarjes së karbonit në nanokarbure // Carbon 42 (2004) fq 1057-1061; AS Fialkov // Proceset dhe pajisjet për prodhimin e materialeve pluhur karbon-grafit, Aspect Press, Moskë, 2008, f. 510-514).

Nanotubat me shumë shtresa të karbonit katalitik përftohen nga piroliza e hidrokarbureve duke përdorur katalizatorë që përmbajnë Fe, Co, Ni, Mo dhe kombinimet e tyre si përbërës aktivë, si dhe Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 si bartës (T. W. Ebbesen // Nanotubat e karbonit: Përgatitja dhe vetitë, CRC Press, 1997, f. 139-161; V. Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // Sinteza dhe karakterizimi i materialeve të nanotubeve të karbonit (rishikim) // Journal of the University of Chemical Technology and Metalurgy, 2006, Nr. 4, v.41, f.377-390; JWSeo; A. Magrez; M. Milas; K. Lee, V Lukovac, L. Forro // Nanotubat e karbonit të rritur në mënyrë katalitike: nga sinteza në toksicitet / / Journal of Physics D (Fizika e aplikuar), 2007, v. 40, n. 6).

Në metodën e propozuar, për të demonstruar mundësinë e heqjes së papastërtive të metaleve më tipike, bëhet pastrimi për dy lloje MWCNT të sintetizuara në katalizatorët Fe-Co / Al 2 O 3 dhe Fe-Co / CaCO 3 që përmbajnë Fe dhe Co. një raport 2: 1. Një nga karakteristikat më të rëndësishme të përdorimit të këtyre katalizatorëve është mungesa e fazave të tjera të karbonit në mostrat e sintetizuara, përveç MWCNT-ve. Në prani të një katalizatori Fe-Co / Al 2 O 3, fitohen MCNT me diametër mesatar të jashtëm 7-10 nm, dhe në prani të një katalizatori Fe-Co / CaCO 3, përftohen MCNT me diametër të jashtëm mesatar të madh. - 22-25 nm.

Mostrat e marra ekzaminohen me mikroskop elektronik transmetues, fluoreshencë spektrale me rreze X në një analizues x ARL-Advant me një anodë Rh të tubit me rreze X (saktësia e matjes ± 10%), dhe sipërfaqja specifike e mostrave matet me Metoda BET.

Sipas të dhënave TEM, mostrat fillestare përbëhen nga MWCNT shumë defekte (Fig. 1, 6). Fragmentet e tubave në zonën e kthesave kanë konture të lëmuara, të rrumbullakosura; në sipërfaqen e tubave vërehen një numër i madh formacionesh të ngjashme me fullerene. Shtresat e nanotubave të ngjashme me grafenin karakterizohen nga prania e një numri të madh defektesh (thyerje, përbërje të ngjashme me Y, etj.). Në disa seksione të tubave, ka një mospërputhje në numrin e shtresave në anët e ndryshme të MWCNT. Kjo e fundit tregon praninë e shtresave të hapura të zgjatura të grafenit, kryesisht të lokalizuara brenda tubave. Imazhe mikroskopike elektronike të MWCNT-ve të ngrohura në një rrjedhë argon me pastërti të lartë në temperatura 2200 ° C - Fig. 2, 7; 2600 ° C - Fig. 3, 8; 2800 ° C - Fig. 4, 5, 9. Në mostrat pas kalcinimit, vërehen MWCNT më të lëmuara me një numër më të vogël të defekteve të brendshme dhe afër sipërfaqes. Tubat përbëhen nga fragmente drejtvizore të rendit të qindra nanometrave me kthesa të theksuara. Me një rritje të temperaturës së kalcinimit, dimensionet e seksioneve të drejta rriten. Numri i shtresave të grafenit në muret e tubit nga anët e ndryshme bëhet i njëjtë, gjë që e bën strukturën MWCNT më të rregulluar. Sipërfaqja e brendshme e tubave gjithashtu pëson ndryshime të rëndësishme - grimcat metalike hiqen, ndarjet e brendshme bëhen më të renditura. Për më tepër, skajet e tubave janë të mbyllura - shtresat e grafenit që formojnë tubat janë të mbyllura.

Kalcinimi i mostrave në 2800 ° C çon në formimin e një sasie të vogël të formacioneve të zmadhuara cilindrike të karbonit të përbërë nga shtresa grafeni të vendosura njëra në tjetrën, të cilat mund të shoqërohen me transferimin e karbonit në distanca të shkurtra për shkak të rritjes së presionit të avullit të grafitit. .

Studimet e mostrave të MWCNT-ve fillestare dhe të ngrohta me metodën e fluoreshencës spektrale të rrezeve X treguan se pas ngrohjes së mostrave të nanotubave të karbonit me shumë shtresa në temperatura në intervalin 2200-2800 ° C, sasia e papastërtive zvogëlohet, gjë që konfirmohet gjithashtu. me metodën e mikroskopit elektronik transmetues. Ngrohja e mostrave MWCNT në 2800 ° C siguron heqjen pothuajse të plotë të papastërtive nga mostrat. Kjo largon jo vetëm papastërtitë e metalit të katalizatorit, por edhe papastërtitë e elementëve të tjerë që hyjnë në MWCNT në fazat e trajtimit me acid dhe larjes. Në mostrat fillestare, raporti i hekurit me kobaltin është afërsisht i barabartë me 2: 1, që korrespondon me përbërjen fillestare të katalizatorëve. Përmbajtja e aluminit në tubat origjinale të marra në mostrat e katalizatorit Fe-Co / Al 2 O 3 është e ulët, gjë që shoqërohet me heqjen e tij gjatë trajtimit të nanotubave me një acid kur katalizatori lahet. Rezultatet e studimit të përmbajtjes së papastërtive me metodën e fluoreshencës spektrale të rrezeve X janë paraqitur në tabelat 1 dhe 2.

Matja e sipërfaqes specifike me metodën BET tregoi se me një rritje të temperaturës, sipërfaqja specifike e mostrave të MWCNT ndryshon në mënyrë të parëndësishme, duke ruajtur strukturën dhe morfologjinë e nanotubave të karbonit. Sipas të dhënave të TEM, një rënie në sipërfaqen specifike mund të shoqërohet si me mbylljen e skajeve të MCNT-ve ashtu edhe me një ulje të numrit të defekteve të sipërfaqes. Me një rritje të temperaturës, është e mundur një pjesë e parëndësishme e formacioneve cilindrike të zmadhuara me një numër të shtuar shtresash dhe një raport të gjatësisë me gjerësinë afërsisht të barabartë me 2-3, gjë që gjithashtu kontribuon në një ulje të sipërfaqes specifike. Rezultatet e studimit të sipërfaqes specifike janë paraqitur në tabelën 3.

Thelbi i shpikjes ilustrohet nga shembujt e mëposhtëm, tabelat (tabelat 1-3) dhe ilustrimet (Figurat 1-9).

Një pjesë e peshuar e MWCNT (10 g), e marrë nga piroliza e etilenit në prani të një katalizatori Fe-Co / Al 2 O 3 në një reaktor kuarci me rrjedhje në një temperaturë prej 650-750 ° C, vendoset në një ampulë grafiti 200 mm e lartë dhe 45 mm në diametër të jashtëm dhe e mbyllur me kapak (10 mm në diametër) me një vrimë (1-2 mm në diametër). Ampula e grafitit vendoset në një ampulë kuarci dhe ajri pompohet duke përdorur një pompë vakum në një presion prej të paktën 10 -3 Torr, e ndjekur nga pastrimi me argon me pastërti të lartë (pastërti 99,999%), fillimisht në temperaturën e dhomës dhe më pas në një temperaturë prej 200-230 ° C për të hequr grupet e sipërfaqes që përmbajnë oksigjen dhe gjurmët e ujit. Mostra nxehet në një temperaturë prej 2200 ° C për 1 orë në një rrjedhë argoni me pastërti të lartë (~ 20 l / h) në një furrë me një gradient të temperaturës, ku temperatura në zonën e punës mbetet në 2200 ° C, dhe në skajet e furrës temperatura është 900-1000 ° ME. Atomet e metaleve që avullohen nga MWCNT gjatë ngrohjes largohen nga pjesa e nxehtë e furrës në pjesën e ftohtë me një rrjedhë argon, ku metali depozitohet në formën e topave të vegjël.

Pas kalcinimit, materiali i përftuar ekzaminohet me mikroskop elektronik transmetues dhe fluoreshencë spektrale me rreze X. Figura 1 tregon imazhet mikroskopike elektronike të MWCNT-ve origjinale, figura 2 - të ngrohur në 2200 ° C MWCNT. Metoda BET përdoret për të përcaktuar sipërfaqen specifike të mostrave të MWCNT para dhe pas kalcinimit. Të dhënat e marra tregojnë një rënie të parëndësishme në sipërfaqen specifike të mostrave pas kalcinimit në krahasim me sipërfaqen specifike të mostrës origjinale MWCNT.

Ngjashëm me shembullin 1, karakterizuar në atë që një kampion i MWCNT-ve origjinale nxehet në 2600 ° C për 1 orë në një rrjedhë argon me pastërti të lartë (~ 20 l/h) në një furrë me një gradient të temperaturës, ku temperatura në zona e punës mbetet në 2600 ° C, ndërsa në skajet e furrës, temperatura është 900-1000 ° C. Imazhet e MWCNT-ve të ngrohura të marra nga mikroskopi elektronik transmetues janë paraqitur në Fig. 3. Imazhet TEM me rezolucion të lartë tregojnë skajet e mbyllura të nanotubave.

Ngjashëm me shembullin 1, karakterizuar në atë që një kampion i MWCNT-ve origjinale nxehet në 2800 ° C për 15 minuta në një rrjedhë argon me pastërti të lartë (~ 20 l/h) në një furrë me një gradient të temperaturës, ku temperatura në zona e punës mbetet në 2800 ° C, ndërsa në skajet e furrës, temperatura është 900-1000 ° C. Imazhet e MWCNT-ve të ngrohura të marra nga mikroskopi elektronik transmetues janë paraqitur në Fig. 4.

Kalcinimi në 2800 ° C çon në formimin e një numri të vogël formacionesh cilindrike të zgjeruara me një numër të shtuar shtresash dhe një raport gjatësi-gjerësi prej afërsisht 2-3. Këto zmadhime janë të dukshme në imazhet TEM (Fig. 5).

Në mënyrë analoge me shembullin 1, karakterizuar në atë që MWCNT-të fillestare u përftuan në prani të një katalizatori Fe — Co/CaCO 3. Imazhet e MWCNT-ve fillestare dhe MWCNT-ve të ngrohura në 2200 ° C, të marra nga mikroskopi elektronik transmetues, tregohen përkatësisht në Fig. 6, 7. Imazhet TEM të MWCNT-ve fillestare tregojnë grimca metalike të kapsuluara në kanalet e tubave (të shënuara me shigjeta).

Ngjashëm me shembullin 4, i karakterizuar në atë që kampioni i MWCNT origjinal nxehet në 2600 ° C. Imazhet e MWCNT-ve të ngrohura të marra nga mikroskopi elektronik transmetues janë paraqitur në Fig. 8. Imazhet TEM me rezolucion të lartë tregojnë skajet e mbyllura të nanotubave.

Në mënyrë analoge me shembullin 4, karakterizuar në atë që një mostër e MWCNT origjinale nxehet në 2800 ° C për 15 minuta. Imazhet e MWCNT-ve të ngrohura të marra nga mikroskopi elektronik transmetues janë paraqitur në Fig. 9. Fotot tregojnë formimin e një pjese të parëndësishme të zgjerimeve.

Tabela 1
Të dhënat e fluoreshencës spektrale të rrezeve X mbi përmbajtjen e papastërtive në MWCNT pas ngrohjes, të marra duke përdorur një katalizator Fe-Co / Al 2 O 3
Elementi
MWCNT-të fillestare	MWCNT_2200 ° С shembulli 1	MWCNT_2600 ° С shembulli 2	MWCNT_2800 ° С shembulli 3
Fe	0.136	0.008	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Me	0.0627	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Al	0.0050	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Ca	gjurmët e këmbëve	0.0028	0.0014	gjurmët e këmbëve
Ni	0.0004	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Si	0.0083	0.0076	gjurmët e këmbëve	Nr
Ti	Nr	0.0033	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
S	gjurmët e këmbëve	Nr	Nr	Nr
Cl	0.111	Nr	Nr	Nr
Sn	0.001	0.001	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Ba	Nr	Nr	Nr	Nr
Cu	0.001	0.001	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
gjurmë - përmbajtja e elementit nën 1 ppm

tabela 2
Të dhënat e fluoreshencës spektrale të rrezeve X mbi përmbajtjen e papastërtive në MWCNT pas ngrohjes, të marra duke përdorur një katalizator Fe-Co / CaCO 3
Elementi	Vlerësimi i përmbajtjes së papastërtive, wt%
MWCNT-të fillestare	MWCNT_2200 ° С shembulli 4	MWNT_2600 ° С shembulli 5	MWCNT_2800 ° С shembulli 6
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
Me	0.0936	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Al	0.0048	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Ca	0.0035	0.005	0.0036	gjurmët e këmbëve
Ni	0.0003	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Si	0.0080	0.0169	0.0098	gjurmët e këmbëve
Ti	Nr	gjurmët e këmbëve	0.0021	0.0005
S	0.002	Nr	Nr	Nr
Cl	0.078	Nr	Nr	Nr
Sn	0.0005	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Ba	0.008	Nr	Nr	Nr
Cu	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve

Tabela 3
Sipërfaqja specifike BET e mostrave fillestare dhe të ngrohta MWCNT
Mostra MWCNT (katalizator)	Rrahjet S, m 2 / g (± 2,5%)
MWNT_ish (Fe-Co / Al 2 O 3)	390
MWNT_2200 (Fe-Co / Al 2 O 3) shembulli 1	328
MWNT_2600 (Fe-Co / Al 2 O 3) shembulli 2	302
MWNT_2800 (Fe-Co / Al 2 O 3) shembulli 3	304
MWNT_inx (Fe-Co / CaCO 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co / CaCO 3) shembulli 4	134
MWCNT_2600 (Fe-Co / CaCO 3) shembulli 5	140
MWCNT_2800 (Fe-Co / CaCO 3) shembulli 6	134

Titrat e figurave:

Fig. 1. Imazhet mikroskopike elektronike të kampionit fillestar MCNT të sintetizuara në katalizatorin Fe-Co / Al 2 O 3. Majtas - imazh TEM me rezolucion të ulët. Djathtas, poshtë - imazh TEM me rezolucion të lartë, i cili tregon mure MWCNT me defekt.

Fig. 2. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT, të ngrohur në një temperaturë prej 2200 ° C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co / Al 2 O 3. Majtas - imazh TEM me rezolucion të ulët. Djathtas, poshtë - imazh TEM me rezolucion të lartë. Struktura e MWCNT bëhet më pak e dëmtuar, skajet e nanotubave janë të mbyllura.

Fig. 3. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MCNT të ngrohur në një temperaturë prej 2600 ° C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co / Al 2 O 3. Majtas - imazh TEM me rezolucion të ulët. Në të djathtë, më poshtë, një imazh TEM me rezolucion të lartë që tregon skajet e mbyllura të MWCNT-ve. Muret e MWCNT-ve bëhen më të lëmuara dhe më pak të dëmtuara.

Fig. 4. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT, të ngrohur në një temperaturë prej 2800 ° C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co / Al 2 O 3. Majtas - imazh TEM me rezolucion të ulët. Djathtas, poshtë - Imazhi TEM me rezolucion të lartë që tregon mure MWCNT më pak të dëmtuar.

Fig. 5. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT të ngrohur në një temperaturë prej 2800 ° C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co / Al 2 O 3, duke reflektuar pamjen e defekteve në strukturën MWCNT, të cilat janë formacione cilindrike të përbëra nga shtresa grafeni të mbivendosur, të cilat shfaqen në imazhin TEM me rezolucion të lartë djathtas.

Fig. 6. Imazhet mikroskopike elektronike të kampionit fillestar MWCNT të sintetizuara në katalizatorin Fe-Co / CaCO 3. Majtas - imazh TEM me rezolucion të ulët. Djathtas, poshtë - imazh TEM me rezolucion të lartë, i cili tregon sipërfaqen e pabarabartë të MWCNT. Në pjesën e sipërme djathtas, grimcat e katalizatorit janë të dukshme, të kapsuluara brenda kanaleve të nanotubave të karbonit (të shënuara me shigjeta).

Fig. 7. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT, të ngrohur në një temperaturë prej 2200 ° C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co / CaCO 3. Majtas - imazh TEM me rezolucion të ulët. Djathtas, fundi - Imazhi TEM me rezolucion të lartë që tregon mure më të lëmuara MWCNT.

Fig. 8. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT, të ngrohur në një temperaturë prej 2600 ° C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co / CaCO 3. Majtas - imazh TEM me rezolucion të ulët. Në të djathtë, më poshtë, një imazh TEM me rezolucion të lartë që tregon skajet e mbyllura të MWCNT-ve. Muret e MWCNT-ve bëhen më të lëmuara dhe më pak të dëmtuara.

Fig. 9. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT, të ngrohur në një temperaturë prej 2800 ° C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co / CaCO 3. Majtas - imazh TEM me rezolucion të ulët. Djathtas, poshtë - imazh TEM me rezolucion të lartë.

1. Metoda e pastrimit të nanotubave të karbonit me shumë shtresa të marra nga piroliza e hidrokarbureve duke përdorur katalizatorë që përmbajnë si përbërës aktivë Fe, Co, Ni, Mo, Mn dhe kombinimet e tyre, si dhe Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 - si bartës, zierje në një tretësirë ​​të acidit klorhidrik me larje të mëtejshme me ujë, e karakterizuar në atë që pas trajtimit me acid, ngrohja kryhet në një rrjedhë argon me pastërti të lartë në një furrë me një gradient të temperaturës, ku temperatura në zonën e punës është 2200-2800. ° C, në skajet e furrës temperatura është 900-1000 ° C, si rezultat i së cilës përftohen nanotuba me shumë shtresa me një përmbajtje papastërtie metalike më pak se 1 ppm.

2. Metoda sipas pretendimit 1, karakterizuar në atë që ngrohja kryhet në ampula të bëra nga grafiti me pastërti të lartë.

Pastrimi i nanotubave të karbonit

Asnjë nga metodat e zakonshme për prodhimin e CNT-ve nuk lejon që ato të izolohen në formën e tyre të pastër. Fullerenet, karboni amorf, grimcat e grafitizuara, grimcat e katalizatorit mund të jenë papastërti ndaj NT.

Përdoren tre grupe të metodave të pastrimit të CNT:

shkatërrues,

e pa shkatërrueshme,

të kombinuara.

Metodat destruktive përdorin reaksione kimike, të cilat mund të jenë oksiduese ose reduktuese, dhe bazohen në ndryshimet në reaktivitetin e formave të ndryshme të karbonit. Për oksidim, përdoren ose solucione të agjentëve oksidues ose reagentë të gaztë, për reduktim - hidrogjen. Metodat lejojnë izolimin e CNT-ve me pastërti të lartë, por shoqërohen me humbje të tubit.

Metodat jo-shkatërruese përfshijnë nxjerrjen, flokulimin dhe precipitimin selektiv, mikrofiltrimin e rrjedhës së kryqëzuar, kromatografinë me përjashtim të madhësisë, elektroforezën, ndërveprimin selektiv me polimeret organike. Si rregull, këto metoda janë joefikase dhe joefektive.

Vetitë e nanotubave të karbonit

Mekanike. Nanotubat, siç u tha, janë material jashtëzakonisht i fortë, si në tension ashtu edhe në përkulje. Për më tepër, nën veprimin e sforcimeve mekanike që tejkalojnë ato kritike, nanotubat nuk "copen" por riorganizohen. Bazuar në një veti të tillë të nanotubave si forca e lartë, mund të argumentohet se ato janë materiali më i mirë për një kabllo të ashensorit hapësinor për momentin. Siç tregohet nga rezultatet e eksperimenteve dhe simulimi numerik, Moduli i Young-it i një nanotubi me një mur arrin vlerat e rendit 1-5 TPa, që është një rend i madhësisë më i lartë se ai i çelikut. Grafiku më poshtë tregon një krahasim të një nanotubi me një mur të vetëm dhe çelikut me forcë të lartë.

1 - Kablloja e ashensorit hapësinor, sipas llogaritjeve, duhet të përballojë stresin mekanik prej 62.5 GPa.

2 - Diagrami i tensionit (varësia e stresit mekanik y nga zgjatimi relativ e)

Për të demonstruar ndryshimin domethënës midis më të qëndrueshmeve ky moment materialet dhe nanotubat e karbonit, le të bëjmë eksperimentin e mëposhtëm të mendimit. Imagjinoni që, siç u supozua më herët, një strukturë homogjene në formë pyke e përbërë nga materialet më të qëndrueshme do të shërbejë si kabllo për ashensorin hapësinor, atëherë diametri i kabllit për GEO (orbita gjeostacionare e Tokës) do të jetë rreth 2 km dhe do të ngushtohet në 1 mm në sipërfaqen e Tokës. Në këtë rast, masa totale do të jetë 60 * 1010 ton. Nëse si material do të përdoreshin nanotubat e karbonit, atëherë diametri i kabllit GEO do të ishte 0.26 mm dhe 0.15 mm në sipërfaqen e Tokës, në lidhje me të cilin masa totale ishte 9.2 ton. Siç shihet nga faktet e mësipërme, nanofibra karboni është pikërisht materiali që nevojitet për të ndërtuar një kabllo, diametri real i të cilit do të jetë rreth 0.75 m, për t'i bërë ballë edhe sistemit elektromagnetik që përdoret për të lëvizur kabinën e ashensorit hapësinor.

elektrike. Për shkak të madhësisë së vogël të nanotubave të karbonit, vetëm në vitin 1996 u bë e mundur të matej drejtpërdrejt rezistenca e tyre elektrike duke përdorur një metodë me katër kontakte.

Vija ari u aplikuan në sipërfaqen e lëmuar të oksidit të silikonit në vakum. Nanotuba 2-3 μm në gjatësi u depozituan ndërmjet tyre. Më pas, 4 përçues tungsteni me trashësi 80 nm u aplikuan në një nga nanotubat e përzgjedhur për matje. Secili nga përçuesit e tungstenit kishte kontakt me një nga shiritat e arit. Distanca midis kontakteve në nanotub varionte nga 0.3 në 1 μm. Rezultatet e matjeve të drejtpërdrejta kanë treguar se rezistenca e nanotubave mund të ndryshojë brenda kufijve të rëndësishëm - nga 5.1 * 10 -6 në 0.8 Ohm / cm. Rezistenca minimale është një rend i madhësisë më i ulët se ai i grafitit. Shumica e nanotubave kanë përçueshmëri metalike, ndërsa pjesa më e vogël shfaq vetitë e një gjysmëpërçuesi me një hendek brezi prej 0,1 deri në 0,3 eV.

Studiuesit francezë dhe rusë (nga IPTM RAS, Chernogolovka) zbuluan një tjetër veti të nanotubave, siç është superpërçueshmëria. Ata matën karakteristikat e tensionit aktual të një nanotubi individual me një mur me një diametër ~ 1 nm, të mbështjellë në një tufë me një numër të madh nanotubash me një mur, si dhe nanotubacione individuale me shumë shtresa. Një rrymë superpërçuese në temperatura afër 4K u vu re midis dy kontakteve metalike superpërcjellëse. Karakteristikat e transferimit të ngarkesës në një nanotub ndryshojnë ndjeshëm nga ato të natyrshme në përçuesit konvencionalë tre-dimensionale dhe, me sa duket, shpjegohen nga natyra njëdimensionale e transferimit.

Gjithashtu, de Gere nga Universiteti i Lozanës (Zvicër) zbuloi një veti interesante: një ndryshim të mprehtë (rreth dy renditje të madhësisë) në përçueshmëri me një përkulje të vogël, me 5-10 °, të një nanotubi me një mur. Kjo veti mund të zgjerojë fushën e aplikimit të nanotubave. Nga njëra anë, një nanotub rezulton të jetë një konvertues i gatshëm shumë i ndjeshëm i dridhjeve mekanike në një sinjal elektrik dhe anasjelltas (në fakt, është një marrës telefonik i gjatë disa mikronë dhe rreth një nanometër në diametër) dhe, nga ana tjetër, është një sensor pothuajse i gatshëm i deformimeve më të vogla. Një sensor i tillë mund të përdoret në pajisjet që monitorojnë gjendjen e montimeve mekanike dhe pjesëve nga të cilat varet siguria e njerëzve, për shembull, pasagjerët e trenave dhe avionëve, personeli i termocentraleve bërthamore dhe termike, etj.

Kapilare. Eksperimentet kanë treguar se një nanotub i hapur ka veti kapilare. Për të hapur nanotubin, duhet të hiqni pjesën e sipërme - kapakun. Një nga metodat e heqjes konsiston në pjekjen e nanotubave në një temperaturë prej 850 0 C për disa orë në një rrjedhë të dioksidit të karbonit. Si rezultat i oksidimit, rreth 10% e të gjithë nanotubave janë të hapur. Një mënyrë tjetër për të shkatërruar skajet e mbyllura të nanotubave është ekspozimi në acid nitrik të koncentruar për 4,5 orë në një temperaturë prej 2400 C. Si rezultat i këtij trajtimi, 80% e nanotubave bëhen të hapur.

Studimet e para të fenomeneve kapilar treguan se lëngu depërton në kanalin e nanotubit nëse tensioni i tij sipërfaqësor nuk është më i lartë se 200 mN / m. Prandaj, për të futur ndonjë substancë në nanotuba, përdoren tretës me tension të ulët sipërfaqësor. Kështu, për shembull, për futjen e disa metaleve në kanalin e nanotubit, përdoret acid nitrik i koncentruar, tensioni sipërfaqësor i të cilit është i ulët (43 mN / m). Më pas pjekja kryhet në 4000 C për 4 orë në një atmosferë hidrogjeni, gjë që çon në reduktimin e metalit. Kështu, u përftuan nanotuba që përmbajnë nikel, kobalt dhe hekur.

Së bashku me metalet, nanotubat e karbonit mund të mbushen me substanca të gazta, për shembull, hidrogjen molekular. Kjo aftësi është e një rëndësie praktike, sepse hap mundësinë e ruajtjes së sigurt të hidrogjenit, i cili mund të përdoret si lëndë djegëse miqësore me mjedisin në motorët me djegie të brendshme. Shkencëtarët ishin gjithashtu në gjendje të vendosnin brenda një nanotubi një zinxhir të tërë fullerene me atome gadolinium të ngulitur tashmë në to (shih Fig. 5).

Oriz. 5. Brenda C60 brenda një nanotubi me një mur