İyi çalışmalarınızı bilgi tabanına gönderin basittir. Aşağıdaki formu kullanın

Öğrenciler, yüksek lisans öğrencileri, bilgi tabanını çalışmalarında ve çalışmalarında kullanan genç bilim adamları size çok minnettar olacaktır.

http://www.allbest.ru/ adresinde yayınlandı

Tanıtım

Nanoteknoloji - teknoloji unsurlarının atomik ve moleküler düzeyde üretim ve özelliklerinin bilimi - artık herkes için "kulakta". Bu tür unsurlardan gelen nanocihazlar ve nanomakineler şimdiden fantezi dünyasından modern hayata geçiyor. Ve bu bilimin bir kısmı, yüzlerce fizikçi, kimyager ve malzeme bilimcisi araştırma grubunu kendine çeken, hızla büyüyen bir nanotüp ve fulleren araştırması dalıdır.

Belirli özelliklere ve kontrollü boyutlara sahip nanoyapılar oluşturma problemi, problemlerden biridir. kritik meseleler XXI yüzyıl. Çözümü elektronik, malzeme bilimi, mekanik, kimya, tıp ve biyolojide devrim yaratacak.

Karbon nanotüpler (CNT'ler) benzersiz makromoleküler sistemlerdir. Çok küçük nanometre çapları ve büyük mikron uzunlukları, yapı olarak ideal tek boyutlu (ID) sistemlere en yakın olduklarını gösterir. Bu nedenle, CNT'ler, kuantum fenomeni teorisini, özellikle düşük boyutlu katı hal sistemlerinde kuantum taşınımını test etmek için ideal nesnelerdir. En az 2000 K'ye kadar kimyasal ve termal olarak kararlıdırlar, mükemmel termal iletkenliğe, benzersiz mukavemete ve mekanik özelliklere sahiptirler.

Nanotüplerin yapısının basitliği, yapılarının teorik modellerini geliştirmeyi mümkün kılar. Bu nedenle, özellikle biyolojideki uygulamalar (hücre içindeki moleküllerin manipülasyonu, yapay sinir ağları, nanomekanik bellek vb.) için gelecekte CNT'leri beklenmeyen yeni uygulamalar beklemektedir.

1. Tek duvarlı nanotüpler

1.1 Açılış

1993'ün başlarında, birkaç bilim insanı grubu, bir ark buharlaştırma işleminde modifiye elektrotlar kullanılarak yabancı maddelerin karbon nanoparçacıklarına veya nanotüplere yerleştirilebileceğini belirtti. Kaliforniya'dan Rodney Ruoff'un ekibi ve Japonya'dan Yahachi Saito'nun ekibi, lantan ile doldurulmuş elektrotlarla çalışırken kapsüllenmiş LaC2 kristalleri elde ederken, Suppapan Serafin ve meslektaşları, itriyum içeren elektrotlar kullanıldığında YC2'nin nanotüplere dahil edilebileceğini bildirdi. Bu çalışma, "moleküler kaplar" olarak nanoparçacıklara ve nanotüplere dayalı yepyeni bir alan açtı, ancak aynı zamanda dolaylı olarak eşit derecede önemli uygulamalarla tamamen farklı bir keşfe yol açtı.

Donald Bethune ve San Luis, California'daki IBM Almaden Araştırma Merkezi'ndeki meslektaşları, Ruoff ve diğerlerinin makaleleriyle çok ilgilenmeye başladı. Bu grup, bilgi depolamaya yönelik uygulamaları için manyetik malzemeler üzerinde çalışıyordu ve karbon kabuklarda kapsüllenmiş bir ferromanyetik geçiş metalinin kristalitlerinin bu alanda çok değerli olabileceğine inanıyordu. Bu tür malzemelerde, kapsüllenmiş metal parçacıkların manyetik momentlerini korumaları ve aynı zamanda komşularından kimyasal ve manyetik olarak izole olmaları gerekir. Birkaç yıldır bu IBM grubu "ekühedral fullerenler" üzerinde çalışıyor; içinde az sayıda metal atomu içeren fullerenler. Ancak fulleren benzeri hücrelerin içindeki büyük kümeler veya kristaller, pratik açıdan en büyük ilgiyi çekebilir. Bu nedenle Bethune, ferromanyetik geçiş metalleri demir, kobalt ve nikel ile emprenye edilmiş elektrotlar kullanarak ark buharlaşması üzerinde bazı deneyler denemeye karar verdi. Ancak bu deneyin sonucu hiç de beklenilen gibi olmadı. Her şeyden önce, ark buharlaştırmasıyla üretilen kurum, saf grafitin ark buharlaşmasıyla üretilen geleneksel malzeme gibi değildi. Kurum katmanları, odanın duvarlarından örümcek ağları gibi sarkıyordu, duvarlarda biriken malzeme ise lastik bir dokuya sahipti ve şeritler halinde kazınabiliyordu. Bethune ve meslektaşı Robert Beyers, elektron mikroskobu kullanarak bu garip yeni malzemeyi test ettiğinde yüksek çözünürlük Tek bir atomik katmanda duvarları olan birçok nanotüp içerdiğini görünce şaşırdılar. Bu güzel borular, malzemeyi tuhaf dokusuna uygun bir biçimde tutan amorf kurum ve metal veya metal karbür parçacıklarıyla karıştırıldı. Bu çalışma Nature'da yayınlanmak üzere kabul edildi ve Haziran 1993'te yayınlandı. Bu makalenin mikrografları Şekil 1.1'de gösterilmektedir.

Şekil 1.1 - Grafit ve kobaltın birlikte buharlaşmasıyla üretilen tek duvarlı karbon nanotüpleri gösteren Bethune ve diğerlerinden görüntüler. Boruların çapları yaklaşık 1,2 nm'dir.

Amerikan grubundan bağımsız olarak, Japonya'daki NEC Laboratories'den Sumio Iijima ve Toshinari Ichihashi, modifiye elektrotlar kullanarak ark buharlaştırmayı da denedi. Ayrıca ark odasının içindeki atmosferi değiştirmenin etkisiyle de ilgilendiler. Bethune ve meslektaşları gibi, belirli koşullar altında, genellikle ark buharlaşmasıyla oluşandan farklı olarak çok farklı bir kurum türünün üretildiğini keşfettiler. Bu çalışma için Japon bilim adamları elektrotlarına demir gömdüler ve atmosfer olarak helyum yerine metan ve argon karışımı kullandılar. Yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu ile kontrol edildiğinde, bu tür ark buharlaşmasının malzemesinin, amorf malzeme kümeleri veya metal parçacıklar arasında iplik gibi uzanan çok dikkate değer nanotüpler içerdiği bulundu. Tek duvarlı nanotüpler, çok dar çap dağılımı ile sürekli ark buharlaşmasında elde edilenlerden farklıdır. "Geleneksel" borularda, iç çap 1,5 ila 15 nm arasında ve dış çap ise 2,5 ila 30 nm arasında değişmektedir. Öte yandan, tek duvarlı nanotüplerin hepsi çok benzer çaplara sahiptir. Bethune ve meslektaşlarının materyalinde, nanotüplerin çapları 1,2 (± 0,1) nm iken, Iijimai Ichihashi, tüp çaplarının 0,7 ila 1,6 nm arasında olduğunu ve merkezi yaklaşık 1,05 nm olduğunu buldu. Geleneksel ark buharlaştırmasıyla üretilen tüplere benzer şekilde, tüm tek duvarlı nanotüpler kapatıldı ve bu tüplerin uçlarında metal katalizör parçacıklarının varlığına dair hiçbir kanıt yoktu. Bununla birlikte, tek duvarlı nanotüplerin büyümesinin esasen katalitik olduğuna inanılmaktadır.

1.2 Tek duvarlı nanotüpler üzerinde takip çalışması

Orijinali takip etmek basit Araştırma Donald Bethune ve San Jose'deki IBM'deki meslektaşları, bir dizi "katalizör" kullanarak tek duvarlı nanotüplerin hazırlanması üzerine bir dizi çalışma yürütmek için California Teknoloji Enstitüsü, Virginia Politeknik Enstitüsü ve Virginia Eyalet Üniversitesi'ndeki bilim insanlarıyla ortaklık kurdu. İlk serilerden birinde, anoda kükürt ve kobalt eklenmesinin (saf S veya CoS formunda) tek başına kobalt ile hazırlandığından daha geniş çap aralığında nanotüplerin ortaya çıkmasına yol açtığını gösterdiler. Böylece, katotta kükürt tespit edildiğinde çapları 1 ila 6 nm arasında olan tek duvarlı nanotüpler, saf kobalt durumunda ise 1-2 nm'ye kıyasla elde edildi. Daha sonra, bizmut ve kurşunun benzer şekilde büyük çaplı boruların oluşumuna katkıda bulunabileceği gösterildi.

1997'de bir Fransız ekibi, ark buharlaşmasıyla bile yüksek bir nanotüp veriminin elde edilebileceğini gösterdi. Yöntemleri, Bethune ve meslektaşlarının orijinal tekniğine benziyordu, ancak biraz farklı reaktör geometrisi kullandılar. Ayrıca katalizör olarak Bethune's grubunun tercih ettiği kobalt yerine nikel/itriyum karışımı kullanılmıştır. En fazla sayıda nanotüpün, buharlaştırılmış malzemenin toplam kütlesinin yaklaşık %20'sini oluşturan katot tortusu etrafındaki "yakada" oluştuğu bulundu. Tüm boru verimi %70-90 olarak tahmin edildi. Yaka malzemesinin yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu ile incelenmesi, yaklaşık 1.4 nm çapında tüplerden birçok demetin varlığını gösterdi. Bu çıktı ve elde edilen tüplerin görünümü, Smalley grubunun lazer buharlaştırma kullanan "demet" örneklerine benzer.

1993'ün sonlarında, Delaware, Wilmington'daki Dupont'tan Shekhar Subramoney, SPI International'daki araştırmacılarla işbirliği içinde, tek duvarlı nanotüplerin üretimini farklı bir şekilde tanımladı. Bu bilim adamları, reaktörün duvarlarından kurum toplamak için gadolinyum dolgulu elektrotlar kullanarak ark buharlaştırması uyguladılar. Büyük miktarlarda amorf karbon ile birlikte kurum, " deniz kestanesi Nispeten büyük gadolinyum karbür parçacıkları (tipik boyutları onlarca nanometre olan) üzerinde büyüyen tek duvarlı nanotüpler içeren. Bu tür borular, demir grubu metallerle elde edilenlerden daha kısaydı, ancak aynı çap aralığına sahipti. Daha sonraki araştırmalar, radyal tek duvarlı nanotüpler, lantan ve itriyum dahil olmak üzere çeşitli başka metaller üzerinde oluşmuş olabilir. Saito ve meslektaşları tarafından yapılan çalışmadan alınan Şekil 1.2, lantan içeren bir parçacıktan radyal olarak büyüyen tek duvarlı nanotüplerin tipik bir tasvirini göstermektedir. Demirden farklı olarak -grubu metaller, nadir toprak elementlerinin çok katmanlı nanotüplerin üretimi için katalize ettiği bilinmemektedir, bu nedenle üzerlerinde tüplerin oluşması oldukça şaşırtıcıdır.Tüplerin nispeten büyük partiküller üzerinde büyümesi, bu büyüme mekanizmasının farklı olduğunu düşündürür. Parçacıkların yüzeyindeki tüplerin büyümesinin, karbür parçacıklarının iç kısmından aşırı doymuş karbon atomlarının salınmasını içerebileceğini. Çok katmanlı katalitik parçacık borularının büyük büyümesi, yıllar önce Baker ve diğerleri tarafından gözlemlendi.

Tek duvarlı nanotüplerin üretilmesi için şimdiye kadar tartışılan yöntemler, modifiye elektrotlar kullanılarak ark buharlaşmasını içermiştir. Smalley ve meslektaşlarının çalışmaları, tek duvarlı nanotüplerin tamamen katalitik bir yöntem kullanılarak da sentezlenebileceğini gösterdi. Birkaç nanometre çapında molibden parçacıkları kullanan katalizör, alüminyum üzerine yerleştirildi. Bütün bunlar, 1200 ° C sıcaklıkta karbon monoksitin içinden geçirildiği tüp şeklindeki bir fırının içine yerleştirildi. Bu sıcaklık, nanotüplerin katalitik üretiminde genellikle kullanılandan çok daha yüksektir; bu, neden çok duvarlı nanotüpler yerine tek duvarlı nanotüplerin oluştuğunu açıklayabilir.

Katalitik olarak hazırlanmış tek katmanlı tüpler, onları ark buharlaşmasıyla sentezlenen tüplerden ayıran bir dizi ilginç özelliğe sahipti. Birincisi, katalitik tüplerin ucuna, tıpkı kataliz tarafından üretilen çok katmanlı tüpler gibi, genellikle küçük metal partiküller eklenmiştir. Ayrıca çok çeşitli partikül çapları (yaklaşık 1-5 nm) vardı ve her tüpün çapının ilgili katalizör partikülünün çapı tarafından belirlendiği görülüyordu. Son olarak, katalitik olarak oluşturulmuş tek tabakalı tüpler, ark buharlaşmasıyla sentezlenen tüplerde olduğu gibi, demetlemek yerine genellikle yalıtılırdı.

Bu gözlemler, Smalley ve meslektaşlarının, katalitik olarak oluşturulmuş borular için, tek katmanlı bir kapağın (yarmolka olarak adlandırılan - takke için Yahudi adı olarak adlandırılır) ilk oluşumunu içeren, bu başlığın daha sonra ayrılmasıyla büyümesini içeren bir büyüme mekanizması önermesini mümkün kıldı. daha sonra boruyu terk eden katalitik parçacıklar. Bu mekanizma, lazer buharlaştırma ile tek katmanlı tüplerin büyümesi için önerdikleri mekanizmadan tamamen farklıdır.

Şekil 1.2 - Bir lantan parçacığı üzerinde büyüyen tek duvarlı nanotüpler

Şekil 1.3 - Tek duvarlı nanotüplerin "demetlerinden" örneklerin TEM görüntüleri (a)

Çok sayıda ipliği gösteren düşük çözünürlüklü görüntü, (b) ekseni boyunca gösterilen tek bir ipliğin yüksek çözünürlüklü mikrografı.

1.3 Nanotüp "demetleri"

1985 yılında Raisa'da C60'ın keşfedilmesinden bu yana Smalley'in grubu, fulleren benzeri malzemelerin sentezinde lazerlerin kullanımına odaklandı. 1995 yılında, yüksek verimle tek duvarlı nanotüpler elde etmelerini sağlayan lazer füzyon teknolojisinin gelişimini bildirdiler. Bu yöntemde daha sonra yapılan iyileştirmeler, olağandışı bir şekilde eşit çaplara sahip tek duvarlı nanotüplerin üretilmesine yol açtı. En iyi homojen tek duvarlı nanotüp verimi, eşit Co ve Ni parçalarından oluşan bir katalizör karışımı ile elde edildi ve böyle bir hedefin daha eşit buharlaşmasını sağlamak için çift darbe kullanıldı.

Bu teknoloji ile elde edilen malzemenin birkaç mikrografı Şekil 1.3'te gösterilmektedir. Genel olarak dış görünüş ark buharlaşmasıyla üretilen malzemeye çok benzer. Bununla birlikte, tek tek borular, aynı çaptaki tek tek borulardan oluşan "demetler" veya uzatılmış demetler oluşturma eğilimindedir. Bazen elektron demetinin yönünden yakın bir mesafede geçen demetleri bulmak mümkündü, böylece Şekil 1.3 (b)'deki gibi "uçtan uca" görülebiliyorlardı. Smalley ve meslektaşları, elektron mikroskobuna ek olarak, John Fisher ve Pennsylvania Eyalet Üniversitesi'ndeki ortak yazarlarla işbirliği içinde "ip" numuneleri üzerinde X-ışını kırınım ölçümleri gerçekleştirdi. İki boyutlu bir kafesten iyi tanımlanmış yansımalar elde edildi ve boruların aynı çapta olduğunu doğruladı. Nanotüp çapının ± 0.02 nm hatayla 1.38 nm olduğu varsayımıyla deneysel verilerle iyi bir uyum bulundu. Tüpler arasındaki van der Waals boşluğunun, kristalin C60'a benzer şekilde 0.315 nm olduğu bulundu. RD çalışmalarından, bu demetlerin esas olarak (10, 10) koltuk nanotüplerinden oluştuğu sonucuna varılmıştır. Bu, elektron demetinin elektron nano kırınım ölçümleriyle açıkça doğrulandı, böylece Şekil 1.3 (b)'de olduğu gibi "sonda" görülebilirler.

2. Nanotüp büyümesi teorileri

2.1 Genel notlar

Başlangıçta, boru yapısının büyümesi üzerindeki etkiyi dikkate almak önemlidir. 1991'de Nature'daki makalesinde Iijima, bu tür boruların büyüme sonunda tekrar eden bir adıma sahip olması nedeniyle sarmal yapının tercih edilebilir göründüğünü belirtti. Şekil 2'de gösterilen bu varsayım, kristal yüzeyindeki bir vida dislokasyonunun görünümüne çok benzer. Sandalye ve zikzak nanotüpler, büyüme için tercih edilen ve yeni bir altıgen halkasının yeniden çekirdeklenmesini gerektiren böyle bir yapıya sahip değildir. Bu, sarmal nanotüplerin telesiyejlerden veya zikzak nanotüplerden daha yaygın olarak gözlemlenmesi gerektiğini göstermektedir, ancak şu anda bunu destekleyecek yeterli deneysel kanıt yoktur.

Şekil 2. - Büyüyen uçlarda basamakların varlığını gösteren iki eş merkezli sarmal borunun çizimi (5)

Sonra, büyüme mekanizması için çok önemli bir soru var - büyüyen tüplerin uçları kapalı mı yoksa açık mı? Nanotüp büyümesi için Endo ve Kroto'nun öncülük ettiği erken bir model, kapalı uçlu bir mekanizmayı destekledi. Karbon atomlarının, beşgen halkaların yakınındaki yerlerde kapalı bir fulleren yüzeyine yerleştirilebileceğini ve ardından bir denge durumuna geçişin, bunun sonucunda ilk fulleren'in sürekli olarak dışarı çekileceğini varsaydılar. Bu fikri desteklemek için Endo ve Kroto, Ulmer ve meslektaşlarının, C 60 ve C 70'in küçük karbon parçaları eklendiğinde açıkça büyük fullerenlere dönüşebileceğini gösterdiğini gösterdiler.

Endo-Kroto mekanizması, tek duvarlı nanotüplerin büyümesi için makul bir açıklama sağlarken, çok katmanlı büyümeyi açıklamada önemli bir problem olmaya devam etmektedir. Modelleri değerlendirirken Endo ve Kroto, çok katmanlı büyümenin "epitaksiyel" olarak gerçekleştirilebileceğini öne sürüyorlar. Durum buysa, ilk fulleren oluşturulduktan hemen sonra ikinci katmanın büyümeye başlamaması için açık bir neden yok gibi görünüyor ve ikinci katman kapandığında, iç tüpün daha fazla gerilmesi imkansız hale gelmelidir. Ancak bu, çoğu borunun tüm uzunlukları boyunca çok katmanlı olduğu gözlemiyle çelişmektedir. Böyle bir model, yapıları şüpheli dallarla açıklamakta da zorluklara sahiptir. Bu nedenlerle Endo-Kroto kapalı uçlu büyüme mekanizması geniş çapta kabul görmemiştir.

Büyüme mekanizmasının borunun açık bir ucu ile gerçekleşmesi gerektiği sonucu bir şekilde tercih edilir. Richard Smalley'in dediği gibi, "1984-1985 yılları arasında karbonun nasıl yoğunlaştığı hakkında bir şey öğrendiysek, o da açık levhaların, sarkan bağları ortadan kaldırmak için beşgenlere isteyerek katılması gerektiğidir." Boruların kapanması için uygun koşullar altında ucu açık kalarak kalması sorunu, aşağıdakiler tarafından ele alınan sorunlardan biridir. bütün çizgi yazarlar.

2.2 Nanotüpler büyüme sırasında neden açık kalır?

Bazı yazarlar, özellikle Smalley ve meslektaşları, arktaki elektrik alanının büyüme sırasında tüpleri açık tutmada önemli bir rol oynayabileceğini öne sürmüşlerdir. Daha doğrusu, ark buharlaşma odasının duvarlarında yoğunlaşan kurumda nanotüplerin neden hiç bulunmadığını anlamaya yardımcı olması gerekirdi. Bununla birlikte, hesaplamalar, açık uçlu enerjideki alan kaynaklı azalmanın, gerçekçi olmayan yüksek alanlar dışında açık konfigürasyonu stabilize etmek için yetersiz olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, atomun katmanlar arasında "nokta kaynaklı" olduğu ve açık ucun oluşumunu kapatmak yerine stabilize etmeye yardımcı olan zarif bir model geliştirilmiştir.

Bu fikir, voltaj farkı olan ve olmayan tek tek çok katmanlı nanotüplerin kapatılması üzerine yapılan deneylerle doğrulandı. Böyle bir model, bir yaydaki nanotüplerin büyümesini anlamaya yardımcı olabilir, ancak güçlü elektrik alanlarının mevcut olmadığı tüp büyümesi durumunda uygulanamaz. Bu, bazı yazarların, açık boruların stabilizasyonu için birleşik eş merkezli borular arasındaki bazı etkileşimlerin gerekli olabileceği konusunda spekülasyon yapmasına yol açmıştır.

Jean-Christophe Charlier ve meslektaşları tarafından moleküler dinamik yöntemleri kullanılarak iki bağlı tüpün etkileşiminin ayrıntılı bir analizi yapıldı. (18.0) boru içindeki (10.0) boruya baktılar ve iki borunun uçları arasında köprü oluştuğunu buldular. Yüksek sıcaklıklarda (3000 K), birbirine yapışma yapılarının konfigürasyonunun sürekli dalgalandığı bulundu. Dalgalanan yapının, adsorpsiyon ve yeni karbon atomlarının eklenmesi için aktif alanlar yaratması ve böylece borunun büyümesini kolaylaştırması gerektiği varsayılmıştır.

Bu teorideki problem, fulleren kurumuna termal olarak maruz kaldığında geniş çaplı tek duvarlı boruların büyümesini açıklayamamasıdır. Genel olarak, şu anda açık nanotüplerin büyümesi için tam bir açıklama olmadığı görülüyor.

2.3 Ark plazmasının özellikleri

Daha önce tartışılan nanotüp büyüme modellerinin çoğu, tüplerin ark plazmasında çekirdeklendiğini ve büyüdüğünü varsayar. Bununla birlikte, bazı yazarlar, plazmanın kendisinin fiziksel durumunu ve nanotüplerin oluşumundaki rolünü dikkate aldı. Bu problemin en detaylı tartışması plazma fiziği uzmanı Eugene Gamaley ve Thomas Ebbesen (30, 31) tarafından yapılmıştır. Bu karmaşık bir problemdir ve burada sadece kısa bir özet mümkündür.

Gamaley ve Ebbesen, katot yüzeyine yakın ark bölgesinde nanotüplerin ve nanopartiküllerin oluştuğu varsayımıyla işe başlarlar. Bu nedenle, modellerini geliştirmek için arkın kendisinin sıcaklığını ve özelliklerini dikkate alarak alandaki karbon buharının yoğunluğunu ve hızını analiz ederler. Katot yüzeyine yakın karbon buharı tabakasında farklı hız dağılımlarına sahip iki grup karbon parçacığının bulunacağına inanıyorlar. Bu fikir, büyüme modellerinin merkezinde yer alır. Bir grup karbon parçacığı, bir Maxwellian'a sahip olmalıdır, yani. ark sıcaklığına (~ 4000 K) karşılık gelen izotropik hız dağılımı. Diğer bir grup, pozitif uzay yükü ile katot arasındaki boşlukta hızlanan iyonlardan oluşur. Bu karbon parçacıklarının hızı, termal parçacıkların hızından daha büyük olmalıdır, bu durumda akış izotropik değil yönlendirilmiş olmalıdır. Nanotüpler (ve nanoparçacıklar) oluşturma süreci, her biri aşağıdaki adımlardan oluşan bir dizi döngü olarak görülür:

1. Embriyonun oluşumu. Boşaltma işleminin başlangıcında, buharlaştırılmış katmandaki karbonun hız dağılımı ağırlıklı olarak Maxwellian'dır ve bu, nanoparçacıklar gibi herhangi bir simetri ekseni olmayan yapıların oluşumuna yol açar. Akım daha yönlü hale geldikçe, Gamaley ve Ebbesen'in nanotüp büyümesi için çekirdek olarak gördüğü açık yapılar oluşmaya başlar.

2. Kararlı deşarj sırasında boru büyümesi. Boşalma stabilize olduğunda, karbon iyonlarının akışı, katot yüzeyine dik yönde buhar tabakasına nüfuz eder. Bu karbon parçacıkları, tek duvarlı ve çok duvarlı nanotüplerin uzamasına katkıda bulunacaktır. Yönlendirilmiş karbon parçacıklarının katı bir yüzeyle etkileşimi, buhar tabakasındaki karbon parçacıklarınınkinden daha yoğun olması gerektiğinden, genişletilmiş yapıların büyümesi izotropik yapıların oluşumundan daha baskın olmalıdır. Bununla birlikte, buhar tabakasından karbonun katot yüzeyindeki yoğuşma, nanotüplerin kalınlaşmasına katkıda bulunacaktır.

3. Büyümenin sona ermesi ve kapanma. Gamaley ve Ebbesen, nanotüplerin genellikle demetler halinde büyüdüğünü ve tüm tüpler için gözlenen demette büyüme ve sonlanmanın yaklaşık aynı zamanda gerçekleştiğini belirtiyor. Bu, ark deşarjında ​​nanotüp büyümesinin aniden sona ermesine yol açabilecek kararsızlıkların meydana geldiğini varsaymalarını sağlar. Bu tür kararsızlıklar, katot noktasının katot yüzeyi üzerindeki kararsız hareketinden veya arkın kendiliğinden kesilmesinden ve tutuşmasından kaynaklanabilir. Bu koşullar altında, Maxwellian hız dağılımına sahip karbon partikülleri tekrar hakim olacak ve bu tür karbonun yoğunlaşması eninde sonunda tüpün kapanmasına ve büyümenin sona ermesine yol açacaktır.

2.4 Alternatif modeller

Bilim adamları, ark buharlaşmasıyla nanotüp büyümesinin tamamen farklı bir teorisini sundular. Bu modelde, nanotüpler ve nanopartiküller ark plazmasında büyümezler, katı hal dönüşümünün bir sonucu olarak katotta oluşurlar. Bu nedenle, nanotüplerin büyümesi, bir elektrik alanının hareketinin bir sonucu değil, sadece çok yönlü bir sonucun sonucudur. hızlı ısıtma ark sırasında katotta biriken malzemenin maruz kaldığı yüksek sıcaklıklara kadar. Bu fikir, nanotüplerin fulleren kurumunun yüksek sıcaklıkta ısıl işlemiyle hazırlanabileceği ve fulleren kurumunun bir ara ürün olduğu iki aşamalı bir nanotüp büyütme sürecini içerdiği gözlemiyle başlatıldı. Model aşağıdaki gibi özetlenebilir. Üzerinde Ilk aşamalar Ark buharlaşmasıyla, fulleren benzeri bir malzeme (artı fullerenler) katot üzerinde yoğunlaşmalı ve ardından yoğunlaşan malzeme ark işleminin devamı sırasında yüksek sıcaklıklara maruz kalarak ilk tek duvarlı nanotüp benzeri yapıların oluşumuna yol açmalıdır ve sonra çok katmanlı nanotüpler. Bu iki aşamalı modelde, anahtar eylem fulleren kurumunun tavlanmasıdır. Böylece nispeten zayıf tavlamaya maruz kalan reaktörün duvarlarında biriken kurum borulara dönüşmez. Öte yandan, katotta yoğunlaşan kurum önemli bir tavlamaya maruz kalmalıdır: katı bir kütle şeklinde boruların ve nanoparçacıkların oluşumuna yol açacaktır. Bu nedenle, bu model, elektrot soğutması ve helyum basıncı gibi değişkenlerin nanotüp üretimi üzerindeki etkisini açıklamamızı sağlar. Görünüşe göre, boruların cüruflanmasını önlemek için katot sıcaklığını gerekli seviyede tutmak için su soğutması şart. Benzer şekilde, helyumun rolü, katot tortusunun sıcaklığı üzerindeki etkisi ile açıklanabilir. Helyum mükemmel bir ısı iletkeni olduğundan, yüksek basınçlar elektrot sıcaklığında bir azalmaya yol açarak, nanotüp büyümesinin cüruf olmadan gerçekleşebileceği bölgede düşüşüne yol açmalıdır.

2.5 Tek duvarlı nanotüplerin büyümesi

Önce bir ark buharlaştırıcısında tek duvarlı nanotüplerin büyümesini ele alalım. Bu süreç, bir yaydaki çok katmanlı nanotüplerin büyümesinden daha az soru sormaz. En bariz olanları arasında şunlar vardır: Neden sadece tek duvarlı nanotüpler gözlemleniyor? Boru çaplarında neden bu kadar dar bir dağılım var? Metalin rolü nedir? Borular neden en sık demetler halinde büyür? Yine, bu sorulara sadece birkaç kesin cevabımız var.

Açık görünen bir şey, tek duvarlı nanotüplerin büyümesinin büyük ölçüde termodinamikten ziyade kinetik tarafından belirlenmesi gerektiğidir, çünkü çok küçük çaplı boruların büyük olanlara göre daha az kararlı olması beklenir. Pek çok katmanın olmaması da muhtemelen kinetik faktörler tarafından sınırlandırılmıştır. Metalin rolü ile ilgili olarak, hem Bethune ve meslektaşları hem de Iijima ve Ichihashi, tek tek metal atomlarının veya küçük kümelerinin, küçük metal parçacıklarının çok katmanlı boruların büyümesini katalize etme şekline benzer şekilde, buhar fazı büyümesi için katalizör görevi görebileceğini öne sürdüler. . Tek tek atomların veya iyi tanımlanmış kümelerin katılımı, dar boyutlu dağılımları açıklamaya yardımcı olmalıdır. Şaşırtıcı bir şekilde, bununla birlikte, katalitik parçacıklar, tek duvarlı nanotüplerin tepelerinde hiçbir zaman gözlenmiyor gibi görünüyor. Katalizör parçacıkları ayrı atomlar olsa bile, yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu veya taramalı transmisyon elektron mikroskobu (STEM) ile tespit edilebilirler. Boruların kapanması sırasında katalitik atomların veya parçacıkların ayrılması mümkündür. Yukarıda belirtildiği gibi, Bethun ve meslektaşları, metale kükürt gibi elementlerin eklenmesinin boru çapı dağılımını ciddi şekilde bozabileceğini göstermiştir. Bu fenomenin daha fazla araştırılması, büyüme mekanizması hakkında faydalı açıklamalar sağlayabilir.

Tek duvarlı nanotüplerin büyümesinin ayrıntılı bir modelini geliştirmeye yönelik birkaç girişimden biri Ching-Hwa Kiang ve William Goddard tarafından yapıldı. Bu araştırmacılar, genel polien halkalarının, tek duvarlı nanotüplerin oluşumu için çekirdek görevi görebileceğini öne sürüyorlar. Bu tür halka yapılarının karbon buharlarında baskın parçacıklar olması gerektiği, büyük boyutlarda ise kapalı çerçeve yapılarının hakim olduğu gösterilmiştir. Bu tartışmalı olmasına rağmen, karbon halkalarının fullerenlerin oluşumunda öncül olabileceği öne sürülmüştür. Kiang ve Goddard, tek duvarlı nanotüplerin oluşumu için ilk malzemelerin monosiklik karbon halkaları ve muhtemelen yüklü olan gaz fazlı kobalt karbür kümeleri olduğuna inanıyor. Kobalt karbür kümeleri, C2 halkalarına veya diğer parçacıklara bağlandığında katalizör görevi görür. Bu yazarlar, belirli bir konformasyonun ortaya çıkan nanotüpün yapısını etkilemesi gerektiğini öne sürüyorlar.

Smalley ve meslektaşları, nanotüp "demetleri" teorilerini takip ederek, Qiang ve Goddard mekanizmasına bazı benzerlikleri olan bir büyüme mekanizması önerdiler. Bu model, tüm boruların aynı (10,10) koltuk yapısına sahip olduğu varsayımına dayanmaktadır. Bu türünün tek örneği yapı, açık altıgen halkaların üçlü bağlarla "üst üste binmesine" izin verir, ancak orijinal doğrusal düzenlemelerine kıyasla önemli ölçüde gerilmeleri gerekir. Ardından Smalley'in grubu, tek bir nikel atomunun borunun ucuna kimyasal olarak adsorbe olacağını ve çevre çevresinde "geçeceğini" (Şekil 2.1), gelen karbon atomlarının altıgen halkalara yerleşmesine yardımcı olacağını öne sürüyor. Beşgenler de dahil olmak üzere yerel olarak optimal olmayan yapılar yansıtılacaktır, böylece böyle bir boru süresiz olarak büyümeye devam edecektir.

Burada ve tek duvarlı nanotüplerin büyümesi için önerilen diğer mekanizmalar için doğrudan deneysel kanıt yoktur.

Şekil 2.1 - (10, 10) koltuk nanotüplerinin büyümesi sırasında "scooter" mekanizmasının gösterimi.

Dünya çapında bir dizi bilim insanı grubu, santrifüjleme, filtrasyon ve kromatografi gibi yöntemler kullanarak nanotüp örneklerini saflaştırmaya çalıştı. Bu yöntemlerden bazıları, yüzey aktif maddeler kullanılarak nanotüp içeren malzemenin kolloidal süspansiyonlarının ilk hazırlanmasını içerir. Örneğin, Jean-Marc Bonard ve meslektaşları, suda kararlı bir nanotüp ve nanoparçacık süspansiyonu elde etmek için anyonik yüzey aktif madde sodyum dodekasiklosülfat (SDS) kullandılar. Başlangıçta nanotüpleri nanopartiküllerden ayırmak için bir filtrasyon yöntemi kullanıldı, ancak daha başarılı bir ayırma basitçe sağlandı: nanotüplerin topaklaşmasına izin vererek ve nanopartikülleri süspansiyonda bırakarak. Tortu daha sonra çıkarılabilir ve daha fazla çökeltme prosedürlerine devam edilebilir. Bu sadece nanoparçacıkların çıkarılmasını mümkün kılmakla kalmadı, aynı zamanda boruların uzunluk olarak bir miktar ayrılmasına da yol açtı.

Nanotüp boyut ayrımını elde etmek için başka bir yöntem, Duisberg ve Stuttgart'taki Max Planck Enstitüsü ve Trinity College Dublin'deki meslektaşları tarafından açıklanmıştır. Boruların ve diğer malzemelerin ayrılması yine CHS asidinde elde edildi. Daha sonra ayırma, boyut dışlama kromatografisi (SXR) kullanılarak gerçekleştirildi. Bu teknoloji, biyolojik makromoleküllerin ayrılması için yaygın olarak kullanılmaktadır ve yazarlar, nanotüp numunelerini farklı uzunluklardaki tüplerle başarılı bir şekilde fraksiyonlara ayırmanın mümkün olduğunu göstermiştir. Nanotüp saflaştırmasında SDN gibi yüzey aktif maddelerin kullanılmasının olası bir dezavantajı, son üründe eser miktarda yüzey aktif madde kalabilmesidir. Ancak Bonard ve arkadaşları yıkama ile SDF seviyesinde %0,1'in altına düşmenin mümkün olduğunu göstermişlerdir.

3. Tek Katmanlı Tüplerin Temizliği

İşlem, çok duvarlı nanotüplerden daha fazla çaba gerektirse de, tek duvarlı tüplerin temizlenmesi için yöntemler de geliştirilmiştir. Büyük miktarda amorf karbona ek olarak, kurum içeren nanotüpler ayrıca, kendileri genellikle karbonla kaplanmış olan metal parçacıkları da içerir. Ayrıca, çok katmanlı nanotüpleri temizlemek için kullanılan sert oksidasyon yöntemleri de tek duvarlı tüpler için yıkıcıdır.

Japon bilim adamları, çeşitli safsızlıkların art arda ortadan kaldırılması sürecini adım adım tanımladılar. İlk adım, işlenmemiş kurumun 12 saat damıtılmış su ile yıkanmasını, ardından süzme ve kurutmayı içeriyordu. Bu prosedür, bazı grafit parçacıklarının ve amorf karbonun çıkarılmasını mümkün kıldı. Fullerenler, bir Soxklet cihazında toluen ile yıkandı. Daha sonra kurum, metal parçacıklardan kurtulmak için 20 dakika boyunca havada 470 ° C'ye ısıtıldı. Son olarak, kalan kurum, metal parçacıkları çözmek için perklorik aside maruz bırakıldı. Nihai ürünün elektron mikroskobu ve X-ışını kırınımı ile incelenmesi, içinde bazı dolu ve boş nanoparçacıklar kalmasına rağmen, kontaminasyonun çoğunun kaldırıldığını gösterdi.

Smalley ve meslektaşları, mikrofiltrasyon kullanarak nanotüp numunelerini demetlerden arındırmak için bir yöntem geliştirdiler. Nanotüplerin bir süspansiyonunu ve buna eşlik eden bir malzemeyi çözelti içinde hazırlamak için katyonik bir yüzey aktif madde kullanma tekniğini ilk tanımlayanlar ve ardından nanotüpleri bir zar üzerine yerleştiren onlardı. Bununla birlikte, önemli bir saflaştırma seviyesi elde etmek için her filtrasyondan sonra çoklu bulamaç filtrasyonu gerekti, bu da böyle bir prosedürü çok yavaş ve etkisiz hale getirdi. Filtrasyon sırasında materyali süspansiyonda tutmak için sonikasyonu kullanan ve böylece büyük miktarlarda numunenin sürekli filtrelenmesini sağlayan gelişmiş bir yöntem bir kağıtta açıklanmıştır. Bu şekilde, %90'dan fazla SWNT içeren bir malzeme elde etmek için 3-6 saat içerisinde 150 ml'ye kadar kurumu saflaştırmak mümkün olmuştur.

Tek katmanlı tüpler kromatografi kullanılarak da temizlenebilir, Duisburg ve diğerleri, MWNT'ler için kullanılana benzer bir yöntem tanımladı ve SWNT'ler için etkinliğini gösterdi.

4. Nanotüp Numunelerini Hizalama

karbon nanotüp fulleren benzeri plazma

Yukarıda açıklanan hazırlama yöntemlerinin çoğu, rastgele yönlendirilmiş nanotüplere sahip numuneler üretir. Tüpler genellikle demetler halinde gruplandırılsa da demetlerin kendileri birbirleriyle hiç hizalanmazlar. Nanotüplerin özelliklerini ölçmek için, tüm tüplerin aynı yönde hizalandığı numunelere sahip olmak çok faydalı olacaktır. Hizalanmış boruların hazırlanması için katalitik yöntemler daha önce açıklanmış olmasına rağmen, sentezlerinden sonra boru numunelerinin hizalanması için teknolojilerin geliştirilmesi de gerekliydi. Böylece, bu tür ilk yöntemlerden biri 1995 yılında İsviçre'deki Lozan Ecole Polytechnic Federal'den bir grup tarafından önerildi. Nanopartikülleri ve diğer kirleticileri uzaklaştırmak için santrifüjlenmiş ve filtrelenmiş ark buharlaştırmasıyla hazırlanan bir MWNT numunesi kullandılar. Saflaştırılmış nanotüplerin ince filmleri daha sonra plastik yüzey üzerine yerleştirildi ve SEM görüntüleri, bu tüplerin filme dik olarak böyle bir serbest birikme durumunda hizalandığını gösterdi. Boruların, önceden teflon veya alüminyum folyo ile hafifçe ovulmuş numunenin yüzeyine paralel olarak hizalanabileceği bulundu. Yazarlar, filmlerin bu yöntemle "keyfi olarak büyük" yapılabileceğini iddia ediyor ve bu filmleri alan emisyon deneyleri yapmak için kullandılar.

Nanotüpleri hizalamanın başka bir yöntemi, bu tüpleri bir matrise gömmek ve daha sonra tüplerin akış yönünde hizalanması için böyle bir matrisi bir şekilde ekstrüde etmektir.

5. Karbon Nanotüplerin Uzunluğunu Kontrol Etme

Tek duvarlı nanotüpleri kontrollü uzunluklarda kesme tekniği 1997'nin sonunda Delft ve Rais Üniversitelerinden araştırmacılar tarafından tarif edildi. Kullanılan nanotüpler Smalley's grubu tarafından lazer buharlaştırma ile elde edildi ve tarama için altın tek kristallerin yüzeyinde biriktirildi. tünelleme mikroskopisi. Uygun bir nanotüp tanımlandığında tarama durduruldu ve Pt/Ir ucu bu tüp üzerinde seçilen noktaya ilerletildi. O zamanlar Geri bildirim kapatıldı ve uç ile numune arasına belirli bir süre voltaj darbesi uygulandı. Tarama devam ettirildiğinde, kırpma başarılı olursa nanotüpte bir kırılma görüldü. Bireysel boruların dört ayrı konuma kadar kesilebileceği kanıtlanmıştır. Dilimleme işleminde kritik faktörün dilimleme işlemi için gerekli olan akımdan ziyade voltaj olduğu, minimum voltajın 4 V olması gerektiği tespit edilmiştir.

Yazarlar, kısa uzunluklarda kesilmiş bireysel nanotüplerle, kısa tüplerin elektriksel özelliklerinin orijinal nanotüplerinkinden farklı olduğunu gösterebildiler. Bu farklılıklar, kuantum boyut etkilerinin tezahürüne bağlandı.

Tek tek nanotüplerin uzunluklarını kontrol etmenin yanı sıra, tek duvarlı nanotüplerden kısa uzunluklar ve toplu numuneler kesmek de mümkündür. Bu, 1998'de Smalley grubu tarafından gösterildi. Kısa tüplerden ("fulleren tüpleri" olarak adlandırılırlardı) numune almanın en etkili yolu, nanotüp malzemesinin bir sülfürik ve nitrik asit çözeltisi içinde sonikasyonudur. Bu maruz kalma sırasında, sadık sonokimyanın tübüler yüzeylerde daha sonra asitler tarafından saldırıya uğrayan ve açık "tübüller" oluşturan delikler oluşturduğu görülmektedir. Smalley ve meslektaşları, bu tüplerin alan akışı fraksiyonasyonu olarak bilinen bir yöntemle farklı uzunluk fraksiyonlarına derecelendirilebileceğini göstermiştir. Ayrıca bu tür açık nanotüplerin uçlarını farklı fonksiyonel gruplarla doldurdular ve altın parçacıklarının fundion tüp uçlarına bağlanabileceğini gösterdiler. Bu çalışma, karbon nanotüplere dayalı yeni bir organik kimyanın başlangıcı olarak kabul edilebilir.

6. Araştırma Analizi

Iijima, Ebbesen ve Ajayan'ın ark buharlaştırma yöntemi, nanotüpleri sentezlemek için şüphesiz en iyi teknik olmaya devam ediyor. Yüksek kalite, ancak bir takım dezavantajlardan muzdariptir. Birincisi, emek yoğundur ve uygun bir tekrarlanabilirlik düzeyine ulaşmak için biraz beceri gerektirir. İkincisi, buharlaşan karbon katottan daha çok oda duvarlarında biriktiğinden ve nanotüpler nanoparçacıklar ve diğer grafit artıkları ile kirlendiğinden, içindeki verim oldukça düşüktür. Üçüncüsü, sürekli bir işlemden çok bir "pişirme" işlemidir ve ölçeği büyütmek kolay değildir. Nanotüpler ticari olarak kullanılacaksa büyük ölçekli, o zaman, görünüşe göre, farklı bir pişirme yöntemi kullanmanız gerekecek. Bu yöndeki ilerleme, bir yaydaki boru büyümesinin mekanizmasının anlaşılmaması nedeniyle engellenmektedir. Bu nedenle, özellikle nanotüp büyümesinin mekanizmasını aydınlatmaya yönelik daha fazla araştırma memnuniyetle karşılanmalıdır.

Çok katmanlı nanotüpler hazırlamak için ark buharlaştırma yönteminin ve diğer tüm mevcut teknolojilerin bir başka ciddi zayıflığı daha vardır: çok çeşitli tüp boyutları ve yapıları üretirler. Ve bu sadece bazı uygulamalar için bir sorun değil, aynı zamanda nanoelektronik gibi belirli tüp yapılarına ihtiyaç duyulan alanlarda da bir dezavantaj olabilir. Belirli yapılara sahip boruların hangi yol boyunca hazırlanacağını tahmin etmek mümkün müdür? Belki de bu, katalizörlerin yaratıcı kullanımıyla sağlanacaktır.

Araştırmacılar, tek cidarlı boruların çok cidarlı muadillerine göre en azından çapları bakımından daha fazla homojenliğine dikkat çekiyor. Bununla birlikte, tek duvarlı tüpleri sentezlemek için doğrudan kullanılan yöntemler, çok duvarlı nanotüplere göre daha karmaşıktır. Malzemeyi üretmek için Smoli grubu tarafından geliştirilen lazer buharlaştırma tekniği kullanılır. en iyi kalite en yüksek verime sahiptir, ancak bu yöntem için gereken yüksek enerjili lazerler geleneksel laboratuvarlarda her zaman mevcut değildir. Çok katmanlı borularda olduğu gibi, ileriye giden yol katalitik yöntemleri içerebilir ve bu yöndeki mevcut araştırmalar cesaret vericidir. Sonuç olarak, organik kimyagerlerin nanotüplerin tam sentezini tamamlayabilecekleri umulmaktadır. Ancak, C60'ın tam sentezi bile henüz gerçekleştirilmediği için bunun uzak bir ihtimal olabileceği akılda tutulmalıdır.

En iyi kalitede nanotüpler şu anda önemli miktarlarda kirletici madde üreten yöntemler kullanılarak üretilse de, bu malzemenin çıkarılması için yöntemler olduğunu belirtmek önemlidir. Neyse ki, son zamanlarda bu alanda önemli ilerleme kaydedilmiştir ve artık hem çok katmanlı hem de tek duvarlı nanotüp numunelerinden gereksiz nanoparçacıkları, mikro gözenekli karbonu ve diğer kirleticileri çıkarmak için bir dizi yöntem bulunmaktadır. Boruları hizalamak ve kontrollü uzunluklarda kesmek için prosedürler de geliştirildi. Bu teknolojiler, temiz ve iyi tanımlanmış örneklerin eksikliğinin büyük bir sorun olmaya devam ettiği alanlarda ilerlemeye izin verecektir.

Çözüm

Injima tarafından 1991'de açıklanan nanotüp hazırlama yöntemi, nispeten zayıf bir verim verdi, bu da yapılarını ve özelliklerini daha fazla incelemeyi zorlaştırdı. Temmuz 1992'de, Iijima ile aynı Japon laboratuvarında çalışan Thomas Ebessen ve Pulikel Ajayan, gram miktarlarında nanotüp hazırlamak için bir yöntem açıkladıklarında önemli bir ilerleme gerçekleşti. Yine, bu beklenmedik bir keşifti: Ebessen ve Ajayan, fullerenlerin türevlerini hazırlamaya çalışırken, ark buharlaştırma odasındaki helyum basıncının arttırılmasının, katot kurumunda oluşan nanotüplerin verimini önemli ölçüde iyileştirdiğini keşfetti. Nanotüplerin büyük hacimlerde mevcudiyeti, dünya çapında araştırma hızında muazzam bir artışa yol açmıştır.

Erken ilgi çeken bir başka alan da karbon nanotüpleri ve nanoparçacıkları "moleküler kaplar" olarak kullanma fikriydi. Bu yönde bir dönüm noktası, Ajayan ve Iijima'nın nanotüplerin erimiş kurşunla doldurulabileceğini ve böylece "nanoteller" için şablon olarak kullanılabileceğini göstermeleriydi. Daha sonra, nanotüpleri açmak ve doldurmak için daha kontrollü yöntemler geliştirildi ve biyolojik olanlar da dahil olmak üzere çok çeşitli malzemelerin içine yerleştirilmesine izin verildi. Nanotüplerin açılması ve doldurulması, kataliz veya biyolojik sensörlerde uygulanabilecek muazzam özelliklerle sonuçlanabilir. Doldurulmuş karbon nanopartiküller, manyetik kayıt ve nükleer tıp gibi çeşitli alanlarda da önemli uygulamalara sahip olabilir.

Belki de nanotüplerin incelenmesindeki en büyük hacim onların elektronik özelliklerine ayrılmalıdır. Iijima'nın keşfinden önceki teorik çalışma yukarıda zaten belirtilmişti. Iijima, 1991'de Nature'a bir mektup yayınladıktan kısa bir süre sonra, karbon nanotüplerin elektronik özellikleri hakkında iki makale daha çıktı. Iijima'nın Tsukuba'daki laboratuvarından bir MIT bilim insanı ve Noriaki Hamada ve meslektaşları, katı bir bağlantı modeli kullanarak bant yapısı hesaplamaları yaptılar ve elektronik özelliklerin hem borunun yapısına hem de çapına bağlı olduğunu gösterdiler. Bu olağanüstü tahminler büyük ilgi uyandırdı, ancak deneysel olarak nanotüplerin elektronik özelliklerini belirlemeye çalışmak büyük zorluklarla karşılaştı. Ancak sadece 1996'da teorik tahminleri doğrulayabilecek bireysel nanotüpler üzerinde deneysel ölçümler yapıldı. Bu sonuçlar, nanotüplerin gelecekteki nanoelektronik cihazların bileşenleri olabileceğini gösterdi.

Karbon nanotüplerin mekanik özelliklerini belirlemek zorlu zorluklar ortaya çıkardı, ancak deneyciler bir kez daha bu zorluğu üstlendi. Transmisyon elektron mikroskobu ve atomik kuvvet ile yapılan ölçümler, karbon nanotüplerin mekanik özelliklerinin elektronik özellikleri kadar istisnai olabileceğini göstermiştir. Sonuç olarak nanotüplerin kompozit malzemelerde kullanımına olan ilgi artmıştır.

Bugün, nanotüplerin diğer çeşitli olası uygulamaları ilgi çekicidir. Örneğin, birkaç bilim adamı, taramalı sonda mikroskobu için ipuçları olarak nanotüpleri kullanma sorununu araştırmaktadır. Uzatılmış şekilleri, sivri uçları ve yüksek sertlikleri ile nanotüpler bu amaç için ideal olmalıydı ve bu alandaki ilk deneyler son derece etkileyici sonuçlar verdi. Ayrıca nanotüplerin sahip olduğu gösterilmiştir. faydalı özellikler düz panel ekranlarda kullanımlarına yol açabilecek alan emisyonları. Nanotüp araştırması her yerde astronomik bir oranda büyüyor ve ticari uygulamalarının gelmesi kesinlikle uzun sürmeyecek.

bibliyografya

1. P. Harris, Karbon nanotüpler ve ilgili yapılar. XXI yüzyılın yeni malzemeleri - M.: teknosfer, 2003.

Allbest.ru'da yayınlandı

benzer belgeler

Elektriksel özelliklerini belirleyen grafitin yapısı. Tek duvarlı ve çok duvarlı karbon nanotüpler. Grafit tabakası ile bromun bağlanma enerjisi. Deneysel teknik ve kurulumun özellikleri. Brominasyon sürecinin fenomenolojik açıklaması.

dönem ödevi eklendi 09/17/2011


Karbon nanoyapıların sınıflandırılması. Fulleren oluşum modelleri. Grafit parçalarından fullerenlerin montajı. Sıvı bir kümenin kristalleştirilmesiyle karbon nanoparçacıklarının oluşum mekanizması. Karbon nanotüplerin üretim yöntemleri, yapısı ve özellikleri.

dönem ödevi eklendi 25/09/2009


Sorbat-sorbent ara yüzeyindeki sorpsiyon süreçleri. Gözenekli karbon malzemeleri elde etme yöntemleri. Atıksu arıtımında adsorpsiyon yöntemleri. Ko-termoliz süreçlerinde organik madde karışımlarının bileşenlerinin etkileşiminin ana reaksiyonları.

tez, eklendi 21.06.2015


Boru hattı kaynağının temel kavramları ve yöntemleri. Gaz boru hattı için çelik seçimi. Kaynak için boru kenarlarının hazırlanması. Kaynak malzemesi seçimi. Boru montaj gereksinimleri. Kaynakçıların yeterlilik testleri. Manuel ark kaynağı teknolojisi ve tekniği.

tez, eklendi 25/01/2015


Otomatik kontrol teorisi yöntemlerini kullanmanın bir örneği olarak bir DC motorun dönüş hızını stabilize etme sistemi. Bir ark çeliği üretim fırınının akımını stabilize etmek için sistem, merkezsiz taşlama işleminin gücünü keser.

dönem ödevi, 18/01/2013 eklendi


Kaynak üretim teknolojisi. Kaynak üretiminin gelişim tarihi. Argon ark kaynağının özgüllüğü ve kullanım kapsamı. Argon ark kaynağının uygulanması, avantajları ve dezavantajları. Bu tür kaynak için ekipmanın karşılaştırmalı özellikleri.

özet, 18/05/2012 eklendi


Çeliğin bileşimi ve özellikleri. Kaynaklanabilirliği hakkında bilgi. Üretim teknolojisi kaynaklı bağlantı iki tabakanın manuel ark ve sarf malzemesi elektrotlu gaz korumalı kaynak ile üst üste binmesi. Tercih Kaynak sarf malzemeleri ve kaynak arkı için güç kaynakları.

28.05.2015 tarihinde dönem ödevi eklendi


Kullanılan malzemelerin kaynaklanabilirliğinin belirlenmesi, dolgu malzemeleri ve ekipmanlarının seçimi. Üst alt ve üst kabuk için kaynak ünitesi. Manuel ark kaynağı modunun hesaplanması. Harita teknolojik süreç GOST 14771-76 uyarınca A Ar-C17 kaynak ünitesi.

dönem ödevi, eklendi 02/20/2013


Genel bilgi Kompozit malzemeler hakkında. Özellikler kompozit malzemeler sibunit türü. Gözenekli karbon malzemeleri yelpazesi. Koruyucu ve radyo emici malzemeler. Fosfat-kalsiyum seramikleri, kemik dokusu rejenerasyonu için bir biyopolimerdir.

özet, 13/05/2011 eklendi


Plastik boruların çeşitleri ve özellikleri, bağlantı yönteminin seçiminin doğrulanması, birleştirme ilkeleri. Plastiklerin alın kaynağı için genel kurallar ve polipropilen borular... Soket kaynak teknolojisi. Polipropilen boruların montaj ilkeleri ve aşamaları.

Buluş, yüksek oranda titanyum ve bileşikleri içeren yüzey ve yeraltı sularının sorpsiyonlu arıtma alanı ile ilgilidir ve güvenli içme suyu elde etmek için su arıtma için kullanılabilir. Titanyum ve bileşiklerinden yüzey ve yeraltı suyunun arıtılması için bir yöntem, kirlenmiş suyun bir adsorbanla temas ettirilmesini içerir; burada adsorban olarak karbon nanotüpler kullanılır, bunlar ultrasonik bir banyoya yerleştirilir ve karbon nanotüpler ve arıtılmış su üzerinde bir modda hareket eder. 1-15 dakika, 42 kHz ultrasonik frekans ve 50 watt güç ile. Teknik sonuç, karbon nanotüplerin çok yüksek adsorpsiyon özelliklerinden dolayı titanyum ve bileşiklerinden %100 su arıtmasından oluşur. 4 dwg, 2 yemek kaşığı, 4 eski

RF patenti 2575029'a ait çizimler

Buluş, yüksek oranda titanyum ve bileşikleri içeren yüzey ve yeraltı sularının sorpsiyonlu arıtma alanı ile ilgilidir ve güvenli içme suyu elde etmek için suları titanyum ve bileşiklerinden arındırmak için kullanılabilir.

Suyu iyonlardan arındırmanın bilinen bir yöntemi ağır metaller buna göre, temizleme için, ağırlıkça % opalkristobolit 51-70, zeolit ​​9-25, kil bileşeni içeren Tataristan tortularının karışık bir mineral bileşiminin silisli bir kayası olan bir adsorban olarak kalsine edilmiş aktif bir doğal adsorban kullanılır. - mont morillonit, hidromika 7-15, kalsit 10-25, vb. [RF patenti 2150997, IPC B01G 20/16, B01G 20/26, yayın. 06/20/2000]. Bu yöntemin dezavantajı, agresif ortamlara dayanıklı ekipman gerektiren malzemeyi aktive etmek için hidroklorik asit kullanılmasıdır. Ek olarak, yöntem oldukça nadir bir karmaşık mineral bileşimi kaya kullanır ve titanyum ve bileşiklerinin içeriği hakkında veri yoktur.

Şungit'e dayalı granüler adsorban üretmenin bilinen bir yöntemi [Ed.St. 822881, IPC B01G 20/16, yayın. 04/23/1981].

Bu yöntemin dezavantajı, önceden kalsine edilmiş amonyum nitrat ile önceden modifiye edilmiş nadir bir mineral şungitin kullanılmasıdır. Yüksek sıcaklık uygun ekipman ve enerji tüketiminin yanı sıra agresif ortamlarda işleme gerektiren. Titanyumdan su arıtmanın etkinliği hakkında veri yoktur.

Doğal alüminosilikatlara, yani zeolite dayalı organomineral sorbentlerin, önceden ısıl işlem görmüş alüminosilikatın polisakaritler, özellikle de kitosan ile modifiye edilmesiyle elde edilmesi için analog olarak alınan bilinen bir yöntem vardır [RF Patent No. 2184607, IPC C02F 1/56, B01J 20/32, B01J 20/26 , B01J 20/12, yayın. 10.07.2002]. Yöntem, çeşitli doğadaki metal iyonlarından ve organik boyalardan sulu çözeltilerin etkili bir şekilde saflaştırılması için uygun sorbentlerin elde edilmesini mümkün kılar.

Açıklanan yöntemle elde edilen sorbentlerin dezavantajları, sorbent tabakasından (filtre hızla tıkanır) akımla suyun arıtılmasına izin vermeyen yüksek derecede dispersiyonlarının yanı sıra kitosan tabakasını sorbentten yıkama olasılığıdır. zamanla mineral bazında sabitlenmemesi ve titanyum ve bileşikleri gibi ağır metal bileşiklerinin etkin şekilde uzaklaştırılmasına ilişkin veriler olmaması nedeniyle.

Su arıtma tesislerinin filtreleme tesislerinin endüstriyel sularının arıtılması ve bertaraf edilmesi için bir yöntem tarif edilmektedir [Buluş patenti RU No. 2372297, IPC C02F 1/5, C02F 103/04, yayın. 10.11.2009].

Buluşun özü, alüminyum oksit için 2: 1 doz oranında sulu sülfat ve alüminyum oksiklorür çözeltilerinin bir karışımı olan karmaşık bir pıhtılaştırıcının kullanılmasında yatmaktadır.

Bu patent, içme suyu temini için yeraltı suyu arıtma örnekleri sağlar.

Tarif edilen yöntemin dezavantajı, kirliliklerden temizleme verimliliğinin düşük olması, tortunun% 46'sının yüzdüğü ve geri kalanının süspansiyon halinde olmasıdır.

Bir katyonik topaklaştırıcı ile besleme boru hattında arıtma yoluyla bilinen bir su arıtma yöntemi [RF Patent No. 2125540, IPC C02F 1/00, yayın. 01/27/1999].

Buluş, yüzey oluklarının su arıtma yöntemleri ile ilgilidir ve evsel içme veya teknik su temini alanında kullanılabilir.

Buluşun özü: topaklaştırıcıya ek olarak, boru hattına 40: 1 ila 1: 1 kütle oranında topaklaştırıcıya bir mineral pıhtılaştırıcı eklenir.

Yöntem, askıda katı maddelerin toplanmasının verimliliğinde bir artış sağlar, bu da durgun suyun bulanıklığını 2-3 kat azaltmayı mümkün kılar. Bu yöntemi kullandıktan sonra, çökeltme tanklarında daha fazla çökeltme gereklidir. Böylece tarif edilen yönteme göre metallerden %100 saflaştırma sağlanamamış, su sertliği 5,7 mEq/L'den 3 mEq/L'ye, bulanıklık 8,0 mg/L'ye düşmüştür.

Analogun dezavantajı, metallerden ve organik safsızlıklardan temizlemenin düşük verimliliğidir, titanyum içeriği hakkında veri yoktur.

Su-etanol karışımlarının saflaştırılması için yenilikçi bir teknolojinin temeli olarak karbon nanotüplerin (CNT) sorpsiyon verimini açıkladı [Zaporotskova NP. ve diğer VolSU Bülteni, seri 10, no. 5, 2011, 106 s.].

Bu çalışmada, tek duvarlı karbon nanotüplerin dış yüzeyinde ağır alkol moleküllerinin adsorpsiyon işlemlerinin kuantum-mekanik çalışmaları yapılmıştır.

CNT'lerin açıklanan sorpsiyon aktivitesinin dezavantajı sadece teorik kuantum-mekanik hesaplamalardır ve alkoller için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Metal çıkarma için hiçbir örnek yoktur.

Su-etanol karışımlarının saflaştırılması sürecinde karbon nanotüplerin olumlu etkisi kanıtlanmıştır.

Şu anda, bilim ve teknolojinin birçok alanının geliştirilmesinde özel umutlar, karbon nanotüpler CNT ile ilişkilidir [Harris P. Karbon nanotüpler ve ilgili yapılar. XXI yüzyılın yeni malzemeleri. - M.: Teknosfer, 2003. - 336 s.].

CNT'lerin dikkate değer bir özelliği, benzersiz sorpsiyon özellikleriyle ilişkilidir [Eletsky A.V. Karbon nanoyapıların absorpsiyon özellikleri. - Fizik bilimlerindeki gelişmeler. - 2004. -T. 174, No. 11. - S. 1191-1231].

Alkol içeren sıvıların saflaştırılması için karbon nanotüplere dayalı bir filtre açıklanmaktadır [Polikarpova N.P. ve diğer VolSU Bülteni, seri 10, no. 6, 2012, 75 s.]. Alkol içeren sıvıların filtrasyon ve iletim yöntemleri ile saflaştırılmasına yönelik deneyler yapılmış, en iyi sonuca yol açan CNT'lerin kütle fraksiyonu oluşturulmuştur.

Gerçekleştirilen deneysel çalışmalar, bir su-etanol karışımının CNT'lerle işlenmesinin, füzel yağlarının ve diğer maddelerin içeriğinin azaltılmasına yardımcı olduğunu göstermiştir. Bu analogun dezavantajı, metallerden su arıtma verilerinin olmamasıdır.

Bu çalışmada, aktif karbon ve CNT'ler ile ardışık döngülerde Zn (II)'nin sorpsiyonu / desorpsiyonu incelenmiştir. Zn(II)'nin aktif karbona adsorpsiyonu, aktif karbonun gözeneklerinin iç yüzeyinden metal iyonlarının düşük oranda uzaklaştırılmasıyla açıklanan birkaç döngüden sonra keskin bir şekilde azaldı.

CNT'lerin hidrofobik doğası, su molekülleri ile zayıf etkileşimlerini belirleyerek serbest akışı için koşullar yaratır.

Noy A., Park H.G., Fornasiero F., Holt J.K., Grigoropoulos C.P. ve Bakajin O. Karbon nanotüplerde nanoakışkanlar // Nano Today. 2007, cilt. 2, hayır. 6, s. 22-29.

CNT'lerin adsorpsiyon kapasitesi, adsorbanın yüzeyindeki fonksiyonel grupların varlığına ve adsorbat özelliklerine bağlıdır.

Örneğin karboksil, lakton ve fenolik grupların varlığı polar maddeler için adsorpsiyon kapasitesini arttırır.

Yüzeylerinde fonksiyonel grup bulunmayan CNT'ler, polar olmayan kirleticiler için yüksek bir adsorpsiyon kapasitesi ile karakterize edilir.

Bir membran oluşturmanın yollarından biri, katalizör olarak nikel kullanarak karbon içeren buharları kullanarak bir silikon yüzeyinde CNT'leri büyütmektir.

CNT'ler, 10-9 m nanometre kalınlığında karbon tabakalarından yapılmış pipetlere benzeyen moleküler yapılardır, aslında, bir tüpe bükülmüş sıradan bir grafit atomik tabakasıdır - bu alandaki en umut verici malzemelerden biridir. nanoteknoloji. CNT'ler ayrıca genişletilmiş bir yapıya sahip olabilir [WCG web sitesi http://www.worldcommunitygrid.org/].

Gezegenimizin sakinleri için içme suyu elde etmek için yaygın olarak kullanılan membran teknolojisi.

İki önemli dezavantajı vardır - sadece kimyasal yöntemlerle giderilebilen enerji tüketimi ve membran kirlenmesi.

Üretken ve zehirli membranlar, karbon nanotüpler veya grafen [M. Majumder et al. Doğa 438, 44 (2005)].

Teknik öz ve elde edilen sonuç açısından talep edilen buluşa en yakın olan su arıtma için sorbent üretme yöntemidir [RF Patenti 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, yayın. 01.12.2004]. Bu patent prototip olarak alınmıştır. Bu yöntem, özellikle sorbentlerin üretimi ve saflaştırma yöntemleri olmak üzere, sorpsiyonlu su arıtma alanıyla ilgilidir ve yüksek oranda ağır metal iyonları ve polar organik maddeler içeren içme veya endüstriyel suları arıtmak için kullanılabilir. Yöntem, doğal alüminosilikatın seyreltik asetik asit içindeki bir kitosan çözeltisiyle, alüminosilikat ile kitosan çözeltisinin pH 8-9'da 1: 1'e eşit bir oranında işlenmesini içerir.

Tablo 1 gösteri karşılaştırmalı özellikler Buluşa göre elde edilen, prototip olarak alınan sorbentler [Patent 2277013]. Boyalarla ilgili sorpsiyon örnekleri ve çözeltilerden bakır, demir ve diğer metallerin iyonlarının absorpsiyonu verilmiştir.

Prototipin dezavantajı, bakır Cu +2 (3.4 ila 5.85 arası) için ağır metaller (COE) mg / l ile ilgili olarak düşük adsorpsiyon kapasitesidir, titanyum ve bileşiklerinin adsorpsiyonu hakkında veri yoktur. COE, Fe +3 için mg / l 3.4 ila 6.9 arasında değişir.

Buluşun amacı, karbon nanotüpler ve ultrason kullanılarak titanyum ve bileşiklerinden yüzey ve yeraltı sularının arıtılması için, yüksek kalitede saf içme suyu elde etmeyi mümkün kılacak, yüzey ve yeraltı sularının arıtılma etkinliğini artıracak bir yöntem geliştirmektir. CNT'lerin yüksek adsorpsiyon özelliklerinden dolayı.

Problem, 1-15 dakika boyunca 42 kHz'lik bir ultrason frekansında 50 W ultrason ile hareket eden CNT'ler kullanılarak titanyum ve bileşiklerinden yüzey ve yeraltı suyunun saflaştırılması için önerilen yöntemle çözülür.

Yöntem aşağıdaki gibi gerçekleştirilir. Adsorban, titanyum atomları ve katyonları (Ti, Ti +2, Ti +4) ile aktif olarak etkileşime girebilen tek duvarlı bir karbon nanotüptür.

Ti, Ti +2, Ti +4'ü uzaklaştırmak için 99 g suya bir gram %98 saflıkta CNT eklenir ve daha sonra tüm içerikler bir UX-3560 ultrasonik banyoya yerleştirilir ve 1-15 dakika güç ile sonike edilir. 50 W ve 42 kHz ultrasonik frekanslı.

Filtrasyondan sonra analiz için alınan su numuneleri incelenir. Atomik emisyon analizi, CNT'lerin işlenmesinden önce ve CNT'lerle su numunelerinin ultrasonik bir banyoda işlenmesinden sonra, su numunelerindeki titanyum ve bileşiklerinin içeriğini belirlemek için kullanılır.

Önerilen "Titanyum ve bileşiklerinden karbon nanotüpler ve ultrason kullanılarak yüzey ve yeraltı sularının arıtılması için yöntem" aşağıda açıklanacak olan örneklerle doğrulanmaktadır.

Yöntemin belirtilen koşullara uygun olarak uygulanması, sıfır titanyum içeriği ve bileşikleri (Ti, Ti +2, Ti +4) ile kesinlikle saf su elde etmenizi sağlar.

Teknik sonuç, CNT'nin, boyutları CNT'nin iç çapıyla karşılaştırılabilir olan Ti atomlarını ve titanyum katyonları Ti +2 ve Ti +4'ü emen bir kılcal olarak çalışması gerçeğiyle elde edilir. CNT'lerin çapı, CNT'leri elde etme koşullarına bağlı olarak 4,8 Å ila 19,6 Å arasında değişir.

CNT'lerin boşluklarının aktif olarak çeşitli kimyasal elementlerle doldurulduğu deneysel olarak kanıtlanmıştır.

CNT'leri bilinen diğer malzemelerden ayıran önemli bir özellik, nanotüpte bir iç boşluğun bulunmasıdır. Ti atomu ve katyonları Ti +2, Ti +4, dış basıncın etkisi altında veya kılcal etkinin bir sonucu olarak CNT'ye nüfuz eder ve sorpsiyon kuvvetleri nedeniyle orada tutulur [Dyachkov P.N. Karbon nanotüpler: yapısı, özellikleri, uygulaması. - M.: Binom. Bilgi laboratuvarı, 2006. - 293 s.].

Bu nanotüpler tarafından seçici adsorpsiyon sağlar. Ek olarak, CNT'lerin güçlü kavisli yüzeyi, yüzeyinde özellikle Ti, Ti +2, Ti +4 olmak üzere oldukça karmaşık atomları ve molekülleri adsorbe etmeyi mümkün kılar.

Aynı zamanda, nanotüplerin verimliliği, şu anda en yaygın saflaştırma yöntemi olan grafit adsorbanların etkinliğinden onlarca kat daha yüksektir. CNT'ler hem dış yüzeyde hem de iç yüzeyde safsızlıkları adsorbe edebilir, bu da seçici adsorpsiyona izin verir.

Bu nedenle, CNT'ler, çeşitli sıvıların ultra düşük konsantrasyonlardaki safsızlıklardan nihai saflaştırılması için kullanılabilir.

CNT'ler, 600 m2 / g ve daha fazla değerlere ulaşan, CNT malzemesinin çekici bir yüksek spesifik yüzey alanına sahiptir.

En iyi modern sorbentlerin spesifik yüzey alanından birkaç kat daha yüksek olan bu kadar yüksek bir spesifik yüzey alanı, ağır metallerden, özellikle Ti, Ti +2, Ti + yüzey ve yeraltı sularını temizlemek için kullanım olasılığını açar. 4.

CNT'lerin sentezi. CVDomna karbon nanotüplerin sentezi için kurulum kullanılarak, titanyum ve bileşiklerinden yüzey ve yeraltı sularını arıtmak için kullanılan bir karbon nanomalzeme CNT elde edildi.

Titanyum ve bileşiklerinden su arıtımı konusunda deneysel çalışmalar yapılmıştır.

Optimum CNT miktarını belirlemek için titanyum ve bileşiklerinin içeriğini çok küçük miktarlara getirmek gerekir. Böyle bir CNT konsantrasyonu bulundu ve sonraki deneylerde optimal konsantrasyon, analiz edilen suyun 1 L'si başına 0.01 g miktarında kullanıldı.

Atomik emisyon analizi, incelenen su örneklerinde atomik Ti ve katyonlarının (Ti +2, Ti +4) varlığını göstermiştir, bundan titanyum ve Ti +2, Ti +4 katyonlarının karbon ile etkileşime girdiği sonucuna varılabilir. nanotüpler. Ti atomunun yarıçapı 147 pm'dir, yani. titanyum katyonları hem bir karbon nanotüpün boşluğuna girebilir ve içeride adsorbe edilebilir (Şekil 1) ve dış yüzeyinde adsorbe olabilir, ayrıca altıgenlerin karbon atomlarıyla bir köprü yapısı oluşturarak (Şekil 2) bağlı moleküler yapılar oluşturur.

Ti ve katyonlarının CNT boşluğuna girişi, Ti'nin ana uzunlamasına ekseni boyunca nanotüp'e adım adım yaklaşması ve titanyum atomlarının ve katyonlarının nanotüp boşluğuna nüfuz etmesi ve iç kısımda daha fazla adsorpsiyon ile mümkündür. CNT'nin yüzeyi. Ti adsorpsiyonunun başka bir çeşidi de bilinmektedir, buna göre bir titanyum atomu, Ti'nin 1/4 ve 1/2'sinde olduğu iki basit durumda, bir karbon nanotüpün dışındaki karbon atomlarıyla kararlı Ti-C bağları oluşturabilir. altıgenler (Şekil 3) ...

Yani titanyum ve katyonlarının CNT yüzeyinde adsorpsiyonu sadece teorik olarak kanıtlanmış bir gerçek değil, aynı zamanda araştırmalarda deneysel olarak da kanıtlanmıştır.

İddia edilen sorbent, titanyum ve katyonları ile aktif olarak etkileşime girebilen, stabil bağlar oluşturabilen ve köprü oluşumu ile CNT'lerin iç ve dış yüzeylerinde titanyum atomlarının ve bileşiklerinin adsorpsiyon olasılığı olan tek duvarlı karbon nanotüplerden oluşan bir kümedir. Ti +2 ise iki Ti-C bağı olan yapılar veya Ti +4 için dört. Titanyum ve bileşikleri ile kirlenmiş su arıtıldığında CNT'ler kullanılır, titanyum van der Waals kuvvetleri nedeniyle CNT'lerin yüzeylerine adsorbe edilir, yani titanyum ve bileşikleri serbest bir atomdan ve Ti +2 ve Ti +4 katyonları olur. moleküler bir bağlantıya bağlanır (Şekil 4).

Buluşu gerçekleştirme olasılığı aşağıdaki örneklerle gösterilmektedir.

Örnek 1. Niteliksel element bileşiminin içeriği üzerine araştırma için ve ayrıca CNT'lerle saflaştırmadan önce ve CNT'lerin adsorpsiyonundan sonra titanyum ve bileşiklerinin içeriği için kantitatif analiz için 40 m derinliğe sahip bir kuyudan 1) yeraltı suyu alındı. , ve sonikasyon. Ultrasona maruz kalma süresi 15 dakikadır. Saflaştırmadan sonra Ti ve bileşiklerinin içeriği %0'dır (Tablo 2).

Örnek 2. Bir kuyudan gelen yeraltı suyu 2) 41 m derinliğinde, kuyu 1) aksine bu su kuyudan 200 m uzaklıktaydı 1) Bereslavskoe rezervuarı (Volgograd). Ultrasona maruz kalma süresi 15 dakikadır. Saflaştırmadan sonra Ti ve bileşiklerinin içeriği mevcut buluşa göre %0'dır (Tablo 2).

Örnek 3. Bir su musluğundan (Sovetsky bölgesi, Volgograd) alınan su, CNT'ler ve ultrason kullanılarak, 50 W güç ve 42 kHz ultrason çalışma frekansı ile 15 dakika saflaştırıldı (Tablo 2).

Örnek 4. Her şey örnek 1'dekiyle aynıdır, ancak ultrasona maruz kalma süresi 1 dakikadır.

Örnek 5. Titanyum ve bileşiklerinin içeriği için analiz için 40 m derinliğindeki bir kuyudan 1) yeraltı suyu alındı ​​ve ardından prototipe [Patent RU 2277013] göre saflaştırmaya tabi tutuldu.

Ultrasona maruz kalma süresi 15 dakikadır (deney 1, 2, 3, 5). Ultrasona maruz kalma süresi 1 dakikadır (deney 4).

CNT'lere dayanan iddia edilen yöntemin avantajları arasında çok yüksek derece titanyum ve bileşiklerinin adsorpsiyonu. Deney sonuçlarına göre çalışılan suların titanyum ve bileşiklerinden optimum koşullarda %100 saflaştırılması sağlanmaktadır.

İDDİA

Karbon nanotüpler (CNT'ler) ve ultrason kullanarak titanyum ve bileşiklerinden yüzey ve yeraltı suyunu arıtmak için bir yöntem olup, ağır metalleri yakalamak için kontamine suyun adsorbanlarla temas ettirilmesi de dahil olmak üzere, karbon nanotüplerin bir adsorban olarak kullanılmasıyla karakterize edilir. ultrasonik banyo, CNT'ler ve arıtılmış su üzerinde 1-15 dakikalık bir modda, 42 kHz ultrason frekansı ve 50 W gücünde etki eder.

Karbon nanotüpler yarın yenilikçi teknolojiler... Nanotübülenlerin üretimi ve uygulanması, malların ve ürünlerin kalitesini iyileştirecek, ağırlıklarını önemli ölçüde azaltacak ve güçlerini artıracak ve onlara yeni özellikler kazandıracaktır.

Karbon nanotüpler veya boru şeklindeki nanoyapı (nanotubulen), laboratuvar koşullarında yapay olarak oluşturulmuş, karbon atomlarından elde edilen ve olağanüstü mekanik, elektrofiziksel ve fiziksel özelliklere sahip tek veya çok duvarlı içi boş silindirik yapılardır.

Karbon nanotüpler, karbon atomlarından yapılır ve tüpler veya silindirler şeklinde şekillendirilir. Çok küçüktürler (nano ölçekte), çapları bir ila birkaç on nanometre arasında ve birkaç santimetre uzunluğundadır. Karbon nanotüpler grafitten oluşur, ancak grafitin doğasında olmayan başka özelliklere de sahiptir. Doğada bulunmazlar. Kökenleri yapaydır. Nanotüplerin gövdesi, baştan sona bağımsız olarak insanlar tarafından yaratılan sentetiktir.

Milyonlarca kez büyütülmüş bir nanotüp'e bakarsanız, köşelerinde karbon atomları bulunan eşkenar altıgenlerden oluşan uzun bir silindir görebilirsiniz. Bu, bir tüpe yuvarlanmış bir grafit düzlemdir. Bir nanotüpün kiralitesi onun fiziksel özelliklerini ve özelliklerini belirler.

Milyonlarca kez büyütülmüş bir nanotüp, üstlerinde karbon atomları bulunan eşkenar altıgenlerden oluşan uzun bir silindirdir. Bu, bir tüpe yuvarlanmış bir grafit düzlemdir.

Kiralite, bir molekülün ayna görüntüsü ile uzayda birleşmeme özelliğidir.

Daha açık bir şekilde ifade etmek gerekirse, kiralite, örneğin bir kağıdı eşit şekilde katladığınız zamandır. Eğik ise, o zaman bu akiralitedir. Nanotübülenler tek veya çok katmanlı yapılara sahip olabilir. Çok katmanlı bir yapı, tek tek "giydirilen" birkaç tek duvarlı nanotüpten başka bir şey değildir.

keşif geçmişi

Nanotüplerin keşfinin kesin tarihi ve onları keşfeden kişi bilinmemektedir. Bu konu, farklı ülkelerden bilim adamları tarafından bu yapıların birçok paralel açıklaması olduğundan, tartışma ve akıl yürütme için besindir. Kaşifi tanımlamadaki asıl zorluk, bilim insanlarının görüş alanına giren nanotüplerin ve nanoliflerin uzun süredir yakın ilgilerini çekmemesi ve tam olarak araştırılmamasıdır. Mevcut bilimsel çalışmalar, karbon içeren malzemelerden nanotüpler ve lifler oluşturma olasılığına geçen yüzyılın ikinci yarısında teorik olarak izin verildiğini kanıtlıyor.

Mikron karbon bileşikleri üzerine ciddi çalışmaların uzun süredir yapılmamasının ana nedeni, o zaman bilim adamlarının araştırma için yeterince güçlü bir bilimsel temele sahip olmaması, yani çalışma amacını artırabilecek hiçbir ekipmanın bulunmamasıdır. gerekli ölçüde ve yapılarında parıldayan. ...

Nanokarbon bileşiklerinin çalışmasındaki olayları kronolojik sıraya göre düzenlersek, ilk kanıt, Sovyet bilim adamları Radushkevich ve Lukyanovich'in karbon monoksitin termal ayrışması sırasında oluşan nanolifli yapıya dikkat çektiği 1952'ye düşer (Rus adı oksittir) . Elektron mikroskobik ekipmanla gözlemlenen yapı, yaklaşık 100 nm çapında liflere sahipti. Ne yazık ki, işler olağandışı nanoyapıyı düzeltmekten daha ileri gitmedi ve daha fazla araştırma yapılmadı.

25 yıllık ihmalin ardından 1974'ten bu yana karbondan yapılmış mikron boyutlu boru şeklindeki yapıların varlığına dair bilgiler gazetelere isabet etmeye başlıyor. Yani, 1974-1975 yıllarında araştırma sırasında bir grup Japon bilim adamı (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin). yoğuşma sırasında buharlardan elde edilen, çapı 100 Å'den küçük olan ince tüpleri tanımlayan bir dizi çalışmalarının sonuçları halka sunuldu. Ayrıca, karbon özelliklerinin incelenmesinde elde edilen yapının ve oluşum mekanizmasının bir açıklaması ile içi boş yapıların oluşumu, 1977'de SSCB Bilimler Akademisi Sibirya Şubesi Kataliz Enstitüsü'nden Sovyet bilim adamları tarafından açıklanmıştır.

Å (Agström) 10−10 m'ye eşit mesafeler için bir ölçüm birimidir.SI sisteminde, büyüklük olarak bir angstroma yakın olan bir birim bir nanometredir (1 nm = 10 Å).

Fullerenler, top veya ragbi topu şeklinde içi boş, küresel moleküllerdir.

Fullerenler, İngiliz kimyager ve astrofizikçi Harold Kroto tarafından keşfedilen, daha önce bilinmeyen dördüncü karbon modifikasyonudur.

Japon bilim adamı Sumio Iijima, bilimsel araştırmalarında nanotüplerin karbon yapısının ayrıntılı bir şekilde incelenmesine ve iletilmesine izin veren en son ekipmanı kullandıktan sonra, 1991 yılında ilk ciddi çalışmaları gerçekleştirdi ve bunun sonucunda deneysel olarak mümkün oldu. karbon nanotüpler elde edin ve bunları ayrıntılı olarak inceleyin. ...

Profesör Ijima, araştırmasında bir prototip elde etmek için atomize grafit üzerinde elektrik ark deşarjı ile hareket etti. Prototip dikkatlice ölçüldü. Boyutları, filamentlerin (çerçeve) çapının, bir ila birkaç mikron uzunluğunda birkaç nanometreyi geçmediğini gösterdi. Bir karbon nanotüpün yapısını inceleyen bilim adamları, incelenen nesnenin altıgenlere dayalı bir grafit altıgen ızgaradan oluşan bir ila birkaç katmana sahip olabileceğini buldular. Bu durumda, nanotüplerin uçları yapısal olarak ikiye bölünmüş bir fulleren molekülünün yarısına benzer.

Yukarıdaki çalışmaların yapıldığı sırada, Jones, L.A. gibi alanlarında tanınmış bilim adamlarının çalışmaları zaten vardı. Chernozatonsky, M.Yu. Kornilov, belirli bir allotropik karbon formunun oluşma olasılığını tahmin ederek yapısını, fiziksel, kimyasal ve diğer özelliklerini tanımlar.

Bir nanotüpün çok katmanlı yapısı, bir Rus yuvalama bebeği ilkesine göre tek tek "giydirilen" birkaç tek katmanlı nanotübülenden başka bir şey değildir.

elektrofiziksel özellikler

Karbon nanotüplerin elektrofiziksel özellikleri, dünyadaki bilim toplulukları tarafından en yoğun çalışma aşamasındadır. Nanotüpleri belirli geometrik ilişkilerde tasarlayarak onlara iletken veya yarı iletken özellikler kazandırmak mümkündür. Örneğin, elmas ve grafit karbondur, ancak moleküler yapıdaki farklılık nedeniyle farklı ve bazı durumlarda zıt özelliklere sahiptirler. Bu tür nanotüplere metalik veya yarı iletken denir.

Mutlak sıfır sıcaklıklarda bile elektrik akımını ileten nanotüpler metaliktir. Artan sıcaklıkla artan mutlak sıfırdaki elektrik akımının sıfır iletkenliği, yarı iletken nanoyapının bir işaretidir.

Ana sınıflandırma, grafit düzlemi yuvarlama yöntemine göre dağıtılır. Yuvarlanma yöntemi, grafit kafesin vektörleri boyunca yuvarlanma yönünü belirleyen iki sayı ile belirtilir: "m" ve "n". Nanotüplerin özellikleri, grafit düzleminin yuvarlanma geometrisine bağlıdır, örneğin, bükülme açısı elektrofiziksel özelliklerini doğrudan etkiler.

Parametrelere (n, m) bağlı olarak nanotüpler: düz (achiral), tırtıklı (“koltuk”), zikzak ve spiral (kiral). Elektriksel iletkenliğin hesaplanması ve planlanması için parametre oranı formülü kullanılır: (n-m) / 3.

Hesaplamada elde edilen bir tam sayı, metal tipi bir nanotüpün iletkenliğini ve kesirli bir sayı - yarı iletken olanı gösterir. Örneğin, tüm koltuk tüpleri metaldir. Metal tipi karbon nanotüpler, mutlak sıfırda bir elektrik akımı iletir. Yarı iletken tipi nanotübülenler, artan sıcaklıkla artan mutlak sıfırda sıfır iletkenliğe sahiptir.

Metalik tipte iletkenliğe sahip nanotüpler, santimetre kare başına kabaca bir milyar amper iletebilir. En iyi metalik iletkenlerden biri olan bakır, bu göstergelerde nanotüplerden bin kat daha düşüktür. İletkenlik sınırı aşıldığında, malzemenin erimesi ve moleküler kafesin tahrip olmasıyla birlikte ısınma meydana gelir. Bu, eşit koşullar altında nanotübülenlerde olmaz. Bunun nedeni, elmasın iki katı olan çok yüksek ısı iletkenlikleridir.

Mukavemet açısından, nanotübülen diğer malzemeleri de çok geride bırakır. En güçlü çelik alaşımlarından (1.28-1.8 TPa modulo Young) 5-10 kat daha güçlüdür ve kauçuktan 100 bin kat daha yüksek elastikiyete sahiptir. Çekme mukavemeti göstergelerini karşılaştırırsak, yüksek kaliteli çeliğin benzer mukavemet özelliklerini 20-22 kat aşıyorlar!

BM'yi nasıl edinirsiniz?

Nanotüpler, yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık yöntemleriyle üretilir.

Yüksek sıcaklık yöntemleri arasında lazer ablasyonu, güneş teknolojisi veya elektrik ark deşarjı bulunur. Düşük sıcaklık prosesi, hidrokarbonların katalitik ayrışmasını kullanan kimyasal buhar biriktirme, karbon monoksitten gaz fazında katalitik büyüme, elektroliz ile üretim, polimer ısıl işlem, lokal düşük sıcaklık piroliz veya lokal katalizi içerir. Tüm yöntemler anlaşılması zor, yüksek teknolojili ve çok pahalıdır. Nanotüplerin üretimi ancak güçlü bir bilimsel temele sahip büyük bir işletme tarafından karşılanabilir.

Basitleştirilmiş, ark yöntemiyle karbondan nanotüp üretme süreci aşağıdaki gibidir:

Gaz halindeki bir plazma, bir enjeksiyon aparatı aracılığıyla kapalı bir döngü ile belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılan bir reaktöre enjekte edilir. Reaktörde, üst ve alt kısımlarda, biri anot, diğeri katot olan manyetik bobinler kurulur. Manyetik bobinlere sabit bir elektrik akımı verilir. Reaktördeki plazma, bir manyetik alan tarafından döndürülen bir elektrik arkından etkilenir. Karbon içeren bir malzemeden (grafit) oluşan anot yüzeyinden yüksek sıcaklıktaki bir elektroplazma arkının etkisi altında, karbon buharlaşır veya "dışarı sızar" ve içinde bulunan karbon nanotüpler şeklinde katot üzerinde yoğunlaşır. tortu. Karbon atomlarının katotta yoğunlaşması için reaktördeki sıcaklık düşürülür. Hatta Kısa Açıklama Bu teknoloji, nanotübülen elde etmenin karmaşıklığını ve maliyetini değerlendirmeyi mümkün kılar. Üretim ve uygulama sürecinin çoğu işletme tarafından kullanılabilir hale gelmesi uzun zaman alacaktır.

Fotoğraf galerisi: Karbondan nanotüp elde etmek için şema ve ekipman

Elektrik ark yöntemiyle tek duvarlı karbon nanotüplerin sentezi için kurulum Tüp şeklindeki nanoyapı elde etmek için düşük gücün bilimsel kurulumu
Düşük sıcaklık elde etme yöntemi

Uzun karbon nanotüplerin üretimi için kurulum

Onlar zehirli mi?

Kesinlikle evet.

Devam etmekte laboratuvar araştırması bilim adamları, karbon nanotüplerin canlı organizmalar üzerinde olumsuz bir etkisi olduğu sonucuna varmışlardır. Bu da nanotüplerin toksisitesini doğruluyor ve giderek daha az bilim insanı bu önemli konudan şüphe etmek zorunda kalıyor.

Çalışmalar, karbon nanotüplerin canlı hücrelerle doğrudan etkileşiminin ölümlerine yol açtığını göstermiştir. Özellikle tek duvarlı nanotüpler güçlü antimikrobiyal aktiviteye sahiptir. Bilim adamları, bakteri krallığının (Escherichia coli) E-Coli'nin yaygın bir kültürü üzerinde deneyler yapmaya başladılar. Araştırma sürecinde 0,75 ila 1,2 nanometre çapında tek duvarlı nanotüpler kullanıldı. Deneylerin gösterdiği gibi, karbon nanotüplerin canlı bir hücreye çarpması sonucunda hücre duvarları (zarları) mekanik olarak zarar görmektedir.

Diğer yöntemlerle üretilen nanotüpler, büyük miktarda metal ve diğer toksik safsızlıkları içerir. Birçok bilim adamı, karbon nanotüplerin toksisitesinin morfolojilerine bağlı olmadığını, doğrudan içlerinde bulunan safsızlıklarla (nanotüpler) ilişkili olduğunu varsaymaktadır. Bununla birlikte, Yale'den bilim adamlarının nanotüpler üzerine araştırma alanında yürüttükleri çalışma, birçok topluluğun bir yanılgısını ortaya koydu. Böylece araştırma sürecindeki Escherichia coli (E-Coli) bakterisi tek cidarlı karbon nanotüplerle bir saat süreyle tedavi edildi. Sonuç olarak, E-Coli'nin çoğu öldü. Nanomalzemeler alanındaki araştırma verileri, bunların toksisitesini ve canlı organizmalar üzerindeki olumsuz etkilerini doğrulamıştır.

Bilim adamları, tek duvarlı nanotüplerin en tehlikeli olduğu sonucuna vardılar, bunun nedeni bir karbon nanotüp uzunluğunun çapına orantılı oranıdır.

Karbon nanotüplerin insan vücudu üzerindeki etkisiyle ilgili çeşitli araştırmalar, bilim insanlarını, asbest liflerinin vücuda alınması durumunda olduğu gibi, etkinin aynı olduğu sonucuna varmasına yol açmıştır. Asbest liflerinin olumsuz etki derecesi doğrudan boyutlarına bağlıdır: ne kadar küçükse, olumsuz etki o kadar güçlü olur. Ve karbon nanotüpler söz konusu olduğunda, bunların vücut üzerindeki olumsuz etkileri konusunda hiç şüphe yoktur. Hava ile birlikte vücuda giren nanotüp plevra yoluyla göğse yerleşerek başta kanserli tümörler olmak üzere ciddi komplikasyonlara neden olur. Nanotübülenlerin vücuda nüfuz etmesi gıda yoluyla gerçekleşirse, mide ve bağırsak duvarlarında birikerek çeşitli hastalıklara ve komplikasyonlara neden olur.

Şu anda bilim adamları nanomalzemelerin biyolojik uyumluluğu ve karbon nanotüplerin güvenli üretimi için yeni teknolojiler üzerine araştırmalar yürütüyorlar.

Perspektifler

Karbon nanotüpler geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bunun nedeni, bir çerçeve şeklinde moleküler bir yapıya sahip olmaları ve böylece elmas veya grafitten farklı özelliklere sahip olmalarına izin vermeleridir. Karbon nanotüplerin diğer malzemelere kıyasla daha sık kullanılması, ayırt edici özelliklerinden (kuvvet, iletkenlik, bükülme) kaynaklanmaktadır.

Bu karbon buluşu elektronik, optik, makine mühendisliği vb. alanlarda kullanılmaktadır. Karbon nanotüpler, moleküler bileşiklerin gücünü artırmak için çeşitli polimerlere ve kompozitlere katkı maddesi olarak kullanılır. Sonuçta, herkes bilir ki, karbon bileşiklerinin moleküler kafesi, özellikle saf haliyle, inanılmaz bir güce sahiptir.

Karbon nanotüpler ayrıca pillerin üretimi için gerekli olan kapasitörlerin ve çeşitli sensörlerin, anotların üretiminde elektromanyetik dalgaların soğurucusu olarak kullanılmaktadır. Bu karbon bileşiği telekomünikasyon ağlarının ve sıvı kristal ekranların üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca nanotüpler, aydınlatma cihazlarının imalatında katalitik güçlendirici olarak kullanılmaktadır.

ticari uygulama

Market	Uygulama	Karbon nanotüplere dayalı bileşimlerin özellikleri
Arabalar	Yakıt sistemi parçaları ve yakıt hatları (konektörler, pompa parçaları, O-ringler, borular), elektro boyama için dış gövde parçaları (tamponlar, ayna muhafazaları, yakıt deposu kapakları)	Karbon siyahına kıyasla gelişmiş özellikler dengesi, büyük parçalar için geri dönüştürülebilirlik, deformasyona karşı direnç
Elektronik	Teknolojik alet ve ekipmanlar, yarı iletken levhalar için kasetler, konveyör bantlar, bağlantı blokları, temiz oda ekipmanları	Karbon fiberlere kıyasla geliştirilmiş karışım saflığı, yüzey özdirenç kontrolü, ince parçaların dökümü için işlenebilirlik, deformasyon direnci, özelliklerin dengesi, karbon fiberlere kıyasla plastik karışımların alternatif olanakları

Karbon nanotüpler, kullanım için belirli bir çerçeve ile sınırlı değildir. çeşitli endüstriler sanayi. Malzeme nispeten yakın zamanda icat edildi ve bu nedenle dünyanın birçok ülkesinde bilimsel gelişmelerde ve araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu, şu anda piyasada oldukça zayıf bir konuma sahip olduğundan, karbon nanotüplerin özelliklerinin ve özelliklerinin daha ayrıntılı bir çalışması ve ayrıca malzemenin büyük ölçekli üretiminin kurulması için gereklidir.

Mikroişlemcileri soğutmak için karbon nanotüpler kullanılıyor

İyi iletken özelliklerinden dolayı, karbon nanotüplerin makine mühendisliğinde kullanımı geniş bir yelpazeye sahiptir. Bu malzeme, büyük boyutlu soğutma üniteleri için bir cihaz olarak kullanılır. Bu öncelikle karbon nanotüplerin yüksek bir spesifik termal iletkenliğe sahip olmasından kaynaklanmaktadır.

Nanotüplerin bilgisayar teknolojisinin geliştirilmesinde kullanılması elektronik endüstrisinde önemli bir rol oynamaktadır. Bu malzemenin kullanımı sayesinde oldukça düz ekranların üretimi için üretim kurulmuştur. Bu, kompakt boyutlarda bilgisayar ekipmanının piyasaya sürülmesine katkıda bulunur, ancak aynı zamanda elektronik bilgisayarların teknik özellikleri kaybolmaz, hatta artar. Bilgisayar teknolojilerinin ve elektronik endüstrisinin gelişmesinde karbon nanotüplerin kullanılması, malzeme açısından birkaç kat daha üstün olacak ekipmanların üretilmesine olanak sağlayacaktır. teknik özellikler Mevcut analoglar. Bu çalışmalara dayanarak, yüksek voltajlı kineskoplar zaten oluşturuluyor.

İlk karbon nanotüp işlemci

Kullanım sorunları

Nanotüp kullanmanın sorunlarından biri, canlı organizmalar üzerindeki olumsuz etkisidir ve bu da bu malzemenin tıpta kullanımı konusunda şüphe uyandırmaktadır. Bazı uzmanlar, karbon nanotüplerin seri üretim sürecinde anlatılmamış risklerin ortaya çıkabileceğini düşünüyor. Yani nanotüplerin uygulama alanlarının genişlemesi sonucunda büyük çapta üretimlerine ihtiyaç duyulacak ve buna bağlı olarak çevre için bir tehdit oluşacaktır.

Bilim adamları, karbon nanotüplerin üretimi için daha çevre dostu yöntem ve yöntemlerin uygulanmasında bu sorunu çözmenin yollarını aramayı öneriyorlar. Ayrıca, bu malzemenin üreticilerinin, CVD işlem teknolojisinin sonuçlarını "temizleme" konusuna ciddi bir yaklaşım getirmeleri ve bunun da üretilen ürünlerin maliyetindeki artışı etkileyebileceği öne sürüldü.

Nanotüplerin hücreler üzerindeki olumsuz etkisinin fotoğrafı a) Nanotüplerin etkisinden önceki E. coli hücreleri; b) nanotüplere maruz kaldıktan sonra hücreler

Modern dünyada, karbon nanotüpler yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesine önemli katkılarda bulunuyor. Uzmanlar, önümüzdeki yıllarda nanotüp üretiminde bir artış ve bu ürünlerin fiyatlarında düşüş öngörüyor. Bu da nanotüplerin uygulama kapsamını genişletecek ve pazardaki tüketici talebini artıracaktır.

RU 2430879 patentinin sahipleri:

Buluş nanoteknoloji ile ilgilidir ve kompozit malzemelerin bir bileşeni olarak kullanılabilir. Çok katmanlı karbon nanotüpler, aktif bileşen olarak Fe, Co, Ni, Mo, Mn ve bunların kombinasyonlarını ve ayrıca taşıyıcı olarak Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 içeren katalizörler kullanılarak hidrokarbonların pirolizi ile üretilir. Elde edilen nanotüpler, bir hidroklorik asit solüsyonunda kaynatılarak ve ardından su ile yıkanarak saflaştırılır. Asitle muameleden sonra, bir sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta bir argon akımında ısıtma gerçekleştirilir. Fırının çalışma alanında sıcaklık 2200-2800 °C'dir. Fırın kenarlarında sıcaklık 900-1000 °C'dir. Buluş, metal safsızlık içeriği 1 ppm'den az olan çok katmanlı nanotüplerin elde edilmesini mümkün kılar. 3 C.p. f-kristaller, 9 dwg., 3 tbl.

Buluş, çeşitli amaçlar için kompozit malzemelerin bileşenleri olarak kullanılabilen, 1 ppm'den daha az metal safsızlık içeriğine sahip yüksek saflıkta çok katmanlı karbon nanotüplerin (MCNT'ler) elde edilmesi alanıyla ilgilidir.

MCNT'lerin seri üretimi için, demir alt grubunun metallerine dayalı metal katalizörlerin varlığında hidrokarbonların veya karbon monoksitin pirolizine dayanan yöntemler kullanılır [TW Ebbesen // Karbon nanotüpler: Hazırlama ve özellikler, CRC Press, 1997, p .139-161; V. Shanov, Yeo-Heung Yun, MJ Schuiz // Karbon nanotüp malzemelerinin sentezi ve karakterizasyonu (inceleme) // Kimya Teknolojisi ve Metalurji Üniversitesi Dergisi, 2006, No. 4, v. 41, s.377-390 ; J.W.Seo; A. Magrez; M. Milas; K. Lee, V Lukovac, L. Forro // Katalitik olarak büyütülen karbon nanotüpler: sentezden toksisiteye // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v. 40, n. 6]. Bu nedenle, onların yardımıyla elde edilen MWCNT'ler, kullanılan katalizörlerin metal safsızlıklarını içerir. Aynı zamanda, örneğin elektrokimyasal cihazlar oluşturmak ve çeşitli amaçlar için kompozit malzemeler elde etmek gibi bir dizi uygulama için, metal safsızlıkları içermeyen yüksek saflıkta MWCNT'ler gereklidir. Yüksek saflıkta MWCNT'ler, öncelikle yüksek sıcaklıkta işleme tabi tutulan kompozit malzemeler elde etmek için gereklidir. Bunun nedeni, inorganik inklüzyonların yerel grafitleşme için katalizörler olabilmesi ve sonuç olarak karbon yapısında yeni kusurların oluşumunu başlatmasıdır [AS Fialkov // Karbon, ara katman bileşikleri ve buna dayalı kompozitler, Aspect Press, Moskova , 1997, s.588 -602]. Metal parçacıkların katalitik etkisinin mekanizması, metal atomlarının bir karbon matrisi ile metal-karbon parçacıklarının oluşumu ile etkileşimine ve ardından kompozit yapıyı tahrip edebilecek yeni grafit benzeri oluşumların salınmasına dayanır. Bu nedenle, küçük metal karışımları bile kompozit malzemenin homojenliğinin ve morfolojisinin ihlaline yol açabilir.

Katalitik karbon nanotüplerden safsızlıkları gidermek için en yaygın yöntemler, ısıtma sırasında ve ayrıca mikrodalga radyasyonuna maruz kalma ile kombinasyon halinde farklı konsantrasyonlara sahip bir asit karışımı ile işlenmesine dayanır. Bununla birlikte, bu yöntemlerin ana dezavantajı, güçlü asitlere maruz kalmanın bir sonucu olarak karbon nanotüplerin duvarlarının tahrip olması ve ayrıca yüzeylerinde seçimi zorlaştıran çok sayıda istenmeyen oksijen içeren fonksiyonel grupların ortaya çıkmasıdır. asit tedavisi için koşullar. Bu durumda, katalizörün metal parçacıkları karbon nanotüpün iç boşluğunda kapsüllendiğinden ve reaktifler tarafından erişilemediğinden, elde edilen MWCNT'lerin saflığı ağırlıkça %96-98'dir.

MCNT'lerin saflığında bir artış, karbon nanotüplerin yapısını ve morfolojisini korurken 1500 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda ısıtılarak elde edilebilir. Bu yöntemler sadece MWCNT'leri metal safsızlıklarından arındırmayı değil, aynı zamanda küçük kusurların tavlanması, Young modülünün artması, grafit katmanları arasındaki mesafenin azalması ve karbon nanotüplerin yapısının düzenlenmesine katkıda bulunur. ayrıca daha kaliteli kompozit malzemeler elde etmek için gerekli olan polimer matriste karbon nanotüplerin daha düzgün bir dağılımını sağlayan yüzey oksijeninin çıkarılması. Yaklaşık 3000 ° C sıcaklıkta kalsinasyon, karbon nanotüplerin yapısında ek kusurların oluşmasına ve halihazırda mevcut kusurların gelişmesine yol açar. Açıklanan yöntemler kullanılarak elde edilen karbon nanotüplerin saflığının %99,9'dan fazla olmadığına dikkat edilmelidir.

Buluş, hidrokarbonların katalitik pirolizi ile elde edilen çok katmanlı karbon nanotüplerin saflaştırılması için, katalizör safsızlıklarının (1 ppm'ye kadar) ve ayrıca MCNT'lerin asitle işlenmesi sırasında ortaya çıkabilecek diğer bileşiklerin safsızlıklarının neredeyse tamamen ortadan kaldırılmasıyla bir yöntem geliştirme problemini çözmektedir. , karbon nanotüplerin morfolojisini korurken.

Sorun, aktif bileşenler olarak Fe, Co, Ni, Mo, Mn ve bunların kombinasyonlarını içeren katalizörler kullanılarak hidrokarbonların pirolizi ile elde edilen çok katmanlı karbon nanotüplerin saflaştırılması yöntemi ile çözülür. bir hidroklorik asit çözeltisinde kaynatılarak su ile daha fazla yıkanarak gerçekleştirilen taşıyıcılar, asit muamelesinden sonra, sıcaklık gradyanlı bir fırında yüksek saflıkta bir argon akışında ısıtma gerçekleştirilir, çalışma alanında sıcaklık 2200-2800 ° C, fırının kenarlarında sıcaklık 900-1000 ° C'dir, bunun sonucunda 1 ppm'den daha az metal safsızlık içeriğine sahip çok katmanlı nanotüpler elde edilir.

Isıtma, yüksek saflıkta grafitten yapılmış ampullerde gerçekleştirilir.

Bir argon akışındaki ısınma süresi, örneğin, 15-60 dakikadır.

Argon %99,999 saflıkta kullanılmıştır.

Yöntemin önemli bir farkı, sıcak bölgede metal safsızlıkların buharlaştığı ve metal parçacıkların soğuk bölgede küçük toplar şeklinde yoğunlaştığı MCNT'leri temizlemek için bir sıcaklık gradyanına sahip bir fırının kullanılmasıdır. Metal buharlarının transferini gerçekleştirmek için, yaklaşık 20 l / s'lik bir gaz akış hızıyla yüksek saflıkta bir argon akışı (% 99.999 saflıkta) kullanılır. Fırın, atmosferik gazlara maruz kalmayı önlemek için özel contalarla donatılmıştır.

MWCNT'lerin yüzeyinden su ve hava oksijeninin ve örneğin bir grafit fırına yerleştirildiği bir grafit ampulün ön desorpsiyonu ve ayrıca yüksek saflıkta argon ile temizlenmesi, gaz taşıma reaksiyonlarının etkisinin önlenmesini mümkün kılar. saflaştırılmakta olan MWCNT'lerde hidrojen ve oksijen içeren gazları içeren, yüksek oranda dağılmış formları ve düşük yüzey enerjisine sahip iyi kristalize grafit benzeri formlar arasında karbonun yeniden dağılımına yol açan (VLKuznetsov, Yu.V. Butenko, VIZaikovskii ve ALChuvilin // Nanokarbonlarda karbon yeniden dağıtım süreçleri // Carbon 42 (2004) s. 1057-1061; AS Fialkov // Karbon-grafit toz malzemelerinin üretimi için süreçler ve cihazlar, Aspect Press, Moskova, 2008, s. 510-514).

Katalitik karbon çok katmanlı nanotüpler, aktif bileşenler olarak Fe, Co, Ni, Mo ve bunların kombinasyonlarını içeren katalizörler ve ayrıca taşıyıcılar olarak Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 kullanılarak hidrokarbonların pirolizi ile elde edilir (T.W. Ebbesen // Karbon nanotüpler: Hazırlık ve özellikleri, CRC Press, 1997, s. 139-161; V. Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // Karbon nanotüp malzemelerinin sentezi ve karakterizasyonu (inceleme) // Kimya Teknolojisi ve Metalurji Üniversitesi Dergisi, 2006, 4, v.41, s.377-390; JWSeo; A. Magrez; M. Milas; K. Lee, V Lukovac, L. Forro // Katalitik olarak yetiştirilen karbon nanotüpler: sentezden toksisiteye / / Journal of Physics D (Uygulamalı Fizik), 2007, cilt 40, n. 6).

Önerilen yöntemde, en tipik metallerin safsızlıklarının giderilmesi olasılığını göstermek için Fe-Co / Al 2 O 3 ve Fe ve Co içeren Fe-Co / CaCO 3 katalizörleri üzerinde sentezlenen iki tip MWCNT için saflaştırma yapılır. 2: 1 oranı. Bu katalizörlerin kullanımının en önemli özelliklerinden biri sentezlenen numunelerde MWCNT'ler dışında başka karbon fazlarının bulunmamasıdır. Fe-Co/Al2O3 katalizörü varlığında ortalama 7-10 nm dış çapa sahip MCNT'ler, Fe-Co/CaCO3 katalizörü varlığında ise ortalama dış çapları büyük MCNT'ler elde edilir. elde edilen - 22-25 nm.

Elde edilen numuneler, transmisyon elektron mikroskobu, X-ışını tüpü Rh anodu olan bir ARL-Advant "x analizöründe X-ışını spektral floresansı ile incelenir (ölçüm doğruluğu ± %10) ve numunelerin özgül yüzeyi, BAHİS yöntemi.

TEM verilerine göre, ilk numuneler oldukça kusurlu MWCNT'lerden oluşmaktadır (Şekil 1, 6). Büküm alanındaki tüp parçaları düzgün, yuvarlak hatlara sahiptir; tüplerin yüzeyinde çok sayıda fulleren benzeri oluşumlar gözlenir. Grafen benzeri nanotüp katmanları, çok sayıda kusurun (kırılmalar, Y benzeri bileşikler, vb.) Tüplerin bazı bölümlerinde, MWCNT'nin farklı taraflarındaki katman sayısında bir tutarsızlık var. İkincisi, esas olarak tüplerin içinde lokalize olan açık uzatılmış grafen katmanlarının varlığını gösterir. 2200 ° C sıcaklıklarda yüksek saflıkta bir argon akışında ısıtılmış MWCNT'lerin elektron mikroskobik görüntüleri - Şekil 2, 7; 2600 ° C - Şekil 3, 8; 2800 ° C - Şekil 4, 5, 9. Kalsinasyondan sonra numunelerde, hem iç hem de yüzeye yakın kusurların daha az sayıda olduğu daha düzgün MWCNT'ler gözlenir. Tüpler, belirgin bükülmelere sahip yüzlerce nanometre mertebesinde doğrusal parçalardan oluşur. Kalsinasyon sıcaklığındaki artışla düz bölümlerin boyutları artar. Farklı kenarlardan tüp duvarlarındaki grafen katmanlarının sayısı aynı olur ve bu da MWCNT yapısını daha düzenli hale getirir. Tüplerin iç yüzeyi de önemli değişikliklere uğrar - metal parçacıklar çıkarılır, iç bölmeler daha düzenli hale gelir. Ayrıca tüplerin uçları kapalıdır - tüpleri oluşturan grafen tabakaları kapalıdır.

Numunelerin 2800 °C'de kalsine edilmesi, grafit buhar basıncının artması nedeniyle kısa mesafelerde karbon transferi ile ilişkili olabilecek, birbiri içine yerleştirilmiş grafen katmanlarından oluşan az miktarda genişlemiş silindirik karbon oluşumlarının oluşumuna yol açar. .

X-ışını spektral floresan yöntemiyle ilk ve ısıtılmış MWCNT örneklerinin çalışmaları, çok katmanlı karbon nanotüp örneklerinin 2200-2800 ° C aralığındaki sıcaklıklarda ısıtılmasından sonra, safsızlık miktarının azaldığını gösterdi, bu da doğrulandı. transmisyon elektron mikroskobu yöntemi ile. MWCNT numunelerinin 2800 °C'de ısıtılması numunelerden safsızlıkların neredeyse tamamen giderilmesini sağlar. Bu, yalnızca katalizör metal safsızlıklarını değil, aynı zamanda asit işleme ve yıkama aşamalarında MWCNT'ye giren diğer elementlerin safsızlıklarını da ortadan kaldırır. İlk numunelerde, demirin kobalta oranı yaklaşık olarak 2: 1'e eşittir, bu da katalizörlerin ilk bileşimine karşılık gelir. Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörünün numunelerinde elde edilen orijinal tüplerdeki alüminyum içeriği düşüktür, bu, nanotüplerin katalizör yıkandığında bir asitle işlenmesi sırasında çıkarılmasıyla ilişkilidir. X-ışını spektral floresan yöntemiyle safsızlıkların içeriğinin incelenmesinin sonuçları Tablo 1 ve 2'de gösterilmektedir.

Spesifik yüzey alanının BET yöntemi ile ölçülmesi, sıcaklıktaki bir artışla, MWCNT numunelerinin spesifik yüzey alanının, karbon nanotüplerin yapısını ve morfolojisini korurken önemsiz bir şekilde değiştiğini göstermiştir. TEM verilerine göre, spesifik yüzey alanındaki bir azalma, hem MCNT'lerin uçlarının kapanması hem de yüzey kusurlarının sayısında bir azalma ile ilişkilendirilebilir. Sıcaklıktaki bir artışla, artan sayıda katmana sahip önemsiz bir oranda büyütülmüş silindirik oluşumlar ve yaklaşık olarak 2-3'e eşit bir uzunluk / genişlik oranı mümkündür, bu da spesifik yüzey alanında bir azalmaya katkıda bulunur. Spesifik yüzey alanı çalışmasının sonuçları Tablo 3'te gösterilmektedir.

Buluşun özü aşağıdaki örnekler, tablolar (tablo 1-3) ve resimler (Şekil 1-9) ile gösterilmektedir.

650-750 ° C sıcaklıkta bir akışlı kuvars reaktörde bir Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü varlığında etilenin pirolizi ile elde edilen MWCNT'nin (10 g) tartılmış bir kısmı, bir yere yerleştirilir. grafit ampul 200 mm yüksekliğinde ve 45 mm dış çapındadır ve bir kapakla (çapı 10 mm) ve delikli (1-2 mm çapında) kapatılmıştır. Bir kuvars ampule bir grafit ampul yerleştirilir ve bir vakum pompası kullanılarak en az 10 -3 Torr'luk bir basınca kadar hava pompalanır, ardından önce oda sıcaklığında ve daha sonra yüksek saflıkta argon (%99.999 saflıkta) ile temizlenir. Oksijen içeren yüzey gruplarını ve su izlerini gidermek için 200-230 °C sıcaklık. Numune, çalışma bölgesindeki sıcaklığın 2200 °C'de kaldığı bir sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta argon (~ 20 l/h) akışında 1 saat boyunca 2200 °C sıcaklıkta ısıtılır, ve fırının kenarlarında sıcaklık 900-1000 ° C'dir. Isıtma sırasında MWCNT'lerden buharlaşan metal atomları, fırının sıcak kısmından, metalin küçük toplar şeklinde biriktirildiği bir argon akışı ile soğuk kısma uzaklaştırılır.

Kalsinasyondan sonra elde edilen materyal, transmisyon elektron mikroskobu ve X-ışını spektral floresan ile incelenir. Şekil 1, orijinal MWCNT'lerin elektron mikroskobik görüntülerini gösterir, şekil 2 - 2200 ° C MWCNT'lerde ısıtılır. BET yöntemi, kalsinasyon öncesi ve sonrası MWCNT numunelerinin spesifik yüzey alanını belirlemek için kullanılır. Elde edilen veriler, orijinal MWCNT numunesinin spesifik yüzey alanı ile karşılaştırıldığında kalsinasyondan sonra numunelerin spesifik yüzey alanında önemsiz bir düşüşe işaret etmektedir.

Örnek 1'e benzer şekilde, orijinal MWCNT'lerin bir numunesinin, sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta bir argon (~ 20 l / s) akışında 1 saat boyunca 2600 ° C'de ısıtılmasıyla karakterize edilir. çalışma bölgesi 2600 °C'de kalır, fırın kenarlarında sıcaklık 900-1000 °C'dir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen ısıtılmış MWCNT'lerin görüntüleri Şekil 3'te gösterilmektedir. Yüksek çözünürlüklü TEM görüntüleri, nanotüplerin kapalı uçlarını göstermektedir.

Örnek 1'e benzer şekilde, orijinal MWCNT'lerin bir numunesinin, sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta bir argon (~ 20 l / s) akışında 2800 ° C'de 15 dakika ısıtılmasıyla karakterize edilir. çalışma bölgesi 2800 °C'de kalır, fırın kenarlarında sıcaklık 900-1000 °C'dir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen ısıtılmış MWCNT'lerin görüntüleri Şekil 4'te gösterilmektedir.

2800 ° C'de kalsinasyon, artan katman sayısı ve yaklaşık 2-3'lük bir uzunluk-genişlik oranı ile az sayıda büyütülmüş silindirik oluşumların oluşumuna yol açar. Bu büyütmeler TEM görüntülerinde görülmektedir (Şekil 5).

Örnek l'e benzer şekilde, başlangıç ​​MWCNT'lerinin bir Fe — Co / CaC03 katalizörü varlığında elde edilmesiyle karakterize edilir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen 2200 ° C'de ısıtılan ilk MWCNT'lerin ve MWCNT'lerin görüntüleri sırasıyla Şekil 6, 7'de gösterilmektedir. İlk MWCNT'lerin TEM görüntüleri, tüplerin kanallarında kapsüllenmiş metal parçacıkları gösterir (oklarla işaretlenmiştir).

Örnek 4'e benzer şekilde, orijinal MWCNT numunesinin 2600 °C'de ısıtılmasıyla karakterize edilir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen ısıtılmış MWCNT'lerin görüntüleri Şekil 8'de gösterilmektedir. Yüksek çözünürlüklü TEM görüntüleri, nanotüplerin kapalı uçlarını göstermektedir.

Örnek 4'e benzer şekilde, orijinal MWCNT'nin bir örneğinin 2800 °C'de 15 dakika ısıtılmasıyla karakterize edilir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen ısıtılmış MWCNT'lerin görüntüleri Şekil 9'da gösterilmektedir. Resimler, genişlemelerin önemsiz bir payının oluşumunu göstermektedir.

tablo 1
Bir Fe-Co / Al203 katalizörü kullanılarak elde edilen, ısıtmadan sonra MWCNT'lerdeki safsızlıkların içeriğine ilişkin X-ışını spektral floresan verileri
eleman
İlk MWCNT'ler	MWCNT_2200 ° С örnek 1	MWCNT_2600 ° C örnek 2	MWCNT_2800 ° С örnek 3
Fe	0.136	0.008	ayak izi	ayak izi
İle	0.0627	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Al	0.0050	ayak izi	ayak izi	ayak izi
CA	ayak izi	0.0028	0.0014	ayak izi
Ni	0.0004	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Si	0.0083	0.0076	ayak izi	Numara
Ti	Numara	0.0033	ayak izi	ayak izi
S	ayak izi	Numara	Numara	Numara
Cl	0.111	Numara	Numara	Numara
Sn	0.001	0.001	ayak izi	ayak izi
Ba	Numara	Numara	Numara	Numara
Cu	0.001	0.001	ayak izi	ayak izi
izler - 1 ppm'nin altındaki eleman içeriği

Tablo 2
Bir Fe-Co / CaCO 3 katalizörü kullanılarak elde edilen, ısıtmadan sonra MWCNT'lerdeki safsızlıkların içeriğine ilişkin X-ışını spektral floresan verileri
eleman	Safsızlık içeriğinin tahmini, ağırlıkça %
İlk MWCNT'ler	MWCNT_2200 ° С örnek 4	MWNT_2600 ° С örnek 5	MWCNT_2800 ° С örnek 6
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
İle	0.0936	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Al	0.0048	ayak izi	ayak izi	ayak izi
CA	0.0035	0.005	0.0036	ayak izi
Ni	0.0003	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Si	0.0080	0.0169	0.0098	ayak izi
Ti	Numara	ayak izi	0.0021	0.0005
S	0.002	Numara	Numara	Numara
Cl	0.078	Numara	Numara	Numara
Sn	0.0005	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Ba	0.008	Numara	Numara	Numara
Cu	ayak izi	ayak izi	ayak izi	ayak izi

Tablo 3
İlk ve ısıtılmış MWCNT numunelerinin BET spesifik yüzey alanı
MWCNT örneği (katalizör)	S vuruş, m 2 / g (± %2,5)
MWNT_ish (Fe-Co / Al 2 O 3)	390
MWNT_2200 (Fe-Co / Al 2 O 3) örnek 1	328
MWNT_2600 (Fe-Co / Al 2 O 3) örnek 2	302
MWNT_2800 (Fe-Co / Al 2 O 3) örnek 3	304
MWNT_inx (Fe-Co / CaCO 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co / CaCO 3) örnek 4	134
MWCNT_2600 (Fe-Co / CaCO 3) örnek 5	140
MWCNT_2800 (Fe-Co / CaCO 3) örnek 6	134

Şekil başlıkları:

1. Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen ilk MCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - arızalı MWCNT duvarlarını gösteren yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü.

incir. 2. 2200 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü. MWCNT'lerin yapısı daha az kusurlu hale gelir, nanotüplerin uçları kapanır.

Şekil 3. Bir Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen, 2600 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağda, aşağıda, MWCNT'lerin kapalı uçlarını gösteren yüksek çözünürlüklü bir TEM görüntüsü. MWCNT'lerin duvarları daha pürüzsüz ve daha az kusurlu hale gelir.

4. Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen 2800 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - daha az kusurlu MWCNT duvarlarını gösteren yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü.

Şekil 5. 2800 ° C sıcaklıkta ısıtılan, Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri, iç içe grafen katmanlarından oluşan silindirik oluşumlar olan MWCNT yapısındaki kusurların görünümünü yansıtır. sağ üst yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsünde görüntülenir.

Şekil 6. Fe-Co / CaCO 3 katalizörü üzerinde sentezlenen ilk MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - MWCNT'lerin düzensiz yüzeyini gösteren yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ üstte, karbon nanotüplerin (oklarla işaretlenmiş) kanallarının içinde kapsüllenmiş katalizör parçacıkları görülebilir.

Şekil 7. Fe-Co / CaCO 3 katalizörü üzerinde sentezlenen 2200 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - daha pürüzsüz MWCNT duvarlarını gösteren yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü.

Şekil 8. Fe-Co / CaCO 3 katalizörü üzerinde sentezlenen 2600 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağda, aşağıda, MWCNT'lerin kapalı uçlarını gösteren yüksek çözünürlüklü bir TEM görüntüsü. MWCNT'lerin duvarları daha pürüzsüz ve daha az kusurlu hale gelir.

Şekil 9. Bir Fe-Co / CaCO 3 katalizörü üzerinde sentezlenen 2800 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü.

1. Aktif bileşenler olarak Fe, Co, Ni, Mo, Mn ve bunların kombinasyonlarını içeren katalizörler kullanılarak hidrokarbonların pirolizi ile elde edilen çok katmanlı karbon nanotüplerin saflaştırılması yöntemi ve ayrıca taşıyıcılar olarak Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 - kaynama bir hidroklorik asit çözeltisinde ve su ile daha fazla yıkama, asit muamelesinden sonra, çalışma alanındaki sıcaklığın 2200-2800 olduğu bir sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta bir argon akışında ısıtmanın gerçekleştirilmesiyle karakterize edilir. ° C, fırının kenarlarında sıcaklık 900-1000 ° C'dir, bunun sonucunda 1 ppm'den daha az metal safsızlık içeriğine sahip çok katmanlı nanotüpler elde edilir.

2. Isıtmanın yüksek saflıkta grafitten yapılmış ampullerde gerçekleştirilmesiyle karakterize edilen, istem l'e göre yöntem.

Karbon nanotüplerin saflaştırılması

CNT'leri üretmek için yaygın yöntemlerin hiçbiri onların saf formlarında izole edilmelerine izin vermez. Fullerenler, amorf karbon, grafitlenmiş parçacıklar, katalizör parçacıkları NT'ye yabancı maddeler olabilir.

Üç grup CNT saflaştırma yöntemi kullanılır:

yıkıcı,

yıkıcı olmayan,

kombine.

Yıkıcı yöntemler, oksidatif veya indirgeyici olabilen ve farklı karbon formlarının reaktivitesindeki farklılıklara dayanan kimyasal reaksiyonları kullanır. Oksidasyon için, indirgeme - hidrojen için oksitleyici ajanların çözeltileri veya gazlı reaktifler kullanılır. Yöntemler, yüksek saflıkta CNT'lerin izolasyonuna izin verir, ancak tüp kayıpları ile ilişkilidir.

Tahribatsız yöntemler arasında ekstraksiyon, topaklaştırma ve seçici çökeltme, çapraz akışlı mikrofiltrasyon, boyut dışlama kromatografisi, elektroforez, organik polimerlerle seçici etkileşim yer alır. Kural olarak, bu yöntemler verimsiz ve etkisizdir.

Karbon nanotüplerin özellikleri

Mekanik. Nanotüpler, söylendiği gibi, hem çekme hem de bükülme açısından son derece güçlü malzemelerdir. Üstelik, kritik olanları aşan mekanik gerilimlerin etkisi altında, nanotüpler "yırtılmaz", yeniden düzenlenir. Nanotüplerin yüksek mukavemet gibi bir özelliğine dayanarak, şu anda bir uzay asansörü kablosu için en iyi malzeme oldukları iddia edilebilir. Deneylerin sonuçlarının gösterdiği gibi ve Sayısal simülasyon, Young'ın tek duvarlı bir nanotüp modülü, çelikten daha yüksek bir büyüklük sırası olan 1-5 TPa mertebesinde değerlere ulaşır. Aşağıdaki grafik, tek duvarlı bir nanotüp ile yüksek mukavemetli çeliğin karşılaştırmasını göstermektedir.

1 - Hesaplamalara göre uzay asansörünün kablosu 62,5 GPa mekanik strese dayanmalıdır.

2 - Gerilim diyagramı (göreceli uzama e'den mekanik stres y'nin bağımlılığı)

En dayanıklı arasındaki önemli farkı göstermek için şu an malzemeler ve karbon nanotüpler için aşağıdaki düşünce deneyini yapalım. Daha önce varsayıldığı gibi, en dayanıklı malzemelerden oluşan kama şeklindeki homojen bir yapının uzay asansörü için bir kablo görevi göreceğini, GEO (geostationary Earth yörüngesi) için kablonun çapının yaklaşık 2 km olacağını hayal edin. ve Dünya yüzeyinde 1 mm'ye kadar daralacaktır. Bu durumda toplam kütle 60*1010 ton olacaktır. Malzeme olarak karbon nanotüpler kullanılsaydı, GEO kablosunun çapı 0,26 mm ve Dünya yüzeyinde 0,15 mm olurdu ve bununla bağlantılı olarak toplam kütle 9,2 ton olurdu. Yukarıdaki gerçeklerden de anlaşılacağı gibi, karbon nanofiber, uzay asansörü arabasını hareket ettirmek için kullanılan elektromanyetik sisteme de dayanabilmesi için gerçek çapı yaklaşık 0.75 m olacak bir kablo inşa etmek için gereken malzemedir.

Elektriksel. Karbon nanotüplerin küçük boyutu nedeniyle, dört temas yöntemi kullanarak elektrik dirençlerini doğrudan ölçmek ancak 1996'da mümkün oldu.

Vakumda parlatılmış silikon oksit yüzeyine altın şeritler uygulandı. Aralarına 2-3 µm uzunluğunda nanotüpler yerleştirildi. Ardından, ölçüm için seçilen nanotüplerden birine 80 nm kalınlığında 4 tungsten iletken uygulandı. Tungsten iletkenlerin her biri altın şeritlerden biriyle temas halindeydi. Nanotüp üzerindeki kontaklar arasındaki mesafe 0,3 ila 1 μm arasında değişmektedir. Doğrudan ölçümlerin sonuçları, nanotüplerin direncinin önemli sınırlar içinde değişebileceğini göstermiştir - 5.1 * 10 -6 ila 0.8 Ohm / cm. Minimum özdirenç, grafitten daha düşük bir büyüklük sırasıdır. Nanotüplerin çoğu metalik iletkenliğe sahipken, daha küçük kısım 0,1 ila 0,3 eV bant aralığına sahip bir yarı iletkenin özelliklerini sergiler.

Fransız ve Rus araştırmacılar (IPTM RAS, Chernogolovka'dan), süper iletkenlik gibi nanotüplerin başka bir özelliğini keşfettiler. Çok sayıda tek duvarlı nanotüplerin yanı sıra tek tek çok katmanlı nanotüplerin bir demetine sarılmış tek duvarlı ~ 1 nm çapında tek bir tek duvarlı nanotüpün akım-voltaj özelliklerini ölçtüler. İki süper iletken metal kontak arasında 4K'ya yakın sıcaklıklarda süper iletken bir akım gözlemlendi. Bir nanotüpteki yük transferinin özellikleri, geleneksel, üç boyutlu iletkenlerde bulunanlardan önemli ölçüde farklıdır ve görünüşe göre, transferin tek boyutlu doğası ile açıklanmaktadır.

Ayrıca, Lozan Üniversitesi'nden (İsviçre) de Gere ilginç bir özellik keşfetti: tek duvarlı bir nanotüpün 5-10 ° bükülmesiyle iletkenlikte keskin (yaklaşık iki büyüklük sırası) bir değişiklik. Bu özellik, nanotüplerin uygulama alanını genişletebilir. Bir yandan, bir nanotüp, mekanik titreşimlerin bir elektrik sinyaline ve bunun tersi için hazır, oldukça hassas bir dönüştürücü olduğu ortaya çıkıyor (aslında, birkaç mikron uzunluğunda ve yaklaşık bir nanometre çapında bir telefon alıcısıdır) ve, öte yandan, en küçük deformasyonların neredeyse hazır bir sensörüdür. Böyle bir sensör, örneğin tren ve uçak yolcuları, nükleer ve termik santral personeli vb. gibi insanların güvenliğinin bağlı olduğu mekanik düzeneklerin ve parçaların durumunu izleyen cihazlarda kullanılabilir.

Kılcal damar. Deneyler, açık bir nanotüpün kılcal özelliklere sahip olduğunu göstermiştir. Nanotüpü açmak için üst kısmı - kapağı çıkarmanız gerekir. Çıkarma yöntemlerinden biri, nanotüplerin bir karbon dioksit akışı içinde birkaç saat 850 0 C sıcaklıkta tavlanmasını içerir. Oksidasyonun bir sonucu olarak, tüm nanotüplerin yaklaşık %10'u açıktır. Nanotüplerin kapalı uçlarını yok etmenin bir başka yolu da 2400 C sıcaklıkta 4,5 saat konsantre nitrik asitte maruz bırakmaktır. Bu işlem sonucunda nanotüplerin %80'i açılır.

Kılcal fenomenlerin ilk çalışmaları, yüzey gerilimi 200 mN / m'den yüksek değilse sıvının nanotüp kanalına girdiğini gösterdi. Bu nedenle nanotüplere herhangi bir maddeyi sokmak için düşük yüzey gerilimine sahip solventler kullanılır. Bu nedenle, örneğin, nanotüp kanalına bazı metallerin sokulması için, yüzey gerilimi düşük (43 mN / m) olan konsantre nitrik asit kullanılır. Daha sonra 4000 C'de 4 saat hidrojen atmosferinde tavlama yapılır, bu da metalin indirgenmesine yol açar. Böylece nikel, kobalt ve demir içeren nanotüpler elde edilmiştir.

Metallerle birlikte, karbon nanotüpler, örneğin moleküler hidrojen gibi gaz halindeki maddelerle doldurulabilir. Bu yetenek, içten yanmalı motorlarda çevre dostu bir yakıt olarak kullanılabilecek hidrojenin güvenli bir şekilde depolanması olasılığını ortaya çıkardığı için pratik bir öneme sahiptir. Bilim adamları ayrıca, bir nanotüpün içine, içinde zaten gömülü olan gadolinyum atomlarına sahip bütün bir fulleren zinciri yerleştirebildiler (bkz. Şekil 5).

Pirinç. 5. Tek duvarlı bir nanotüp içinde C60 içinde