Yaxshi ishingizni bilimlar bazasiga yuborish oddiy. Quyidagi shakldan foydalaning

Bilimlar bazasidan o‘z o‘qish va faoliyatida foydalanayotgan talabalar, aspirantlar, yosh olimlar sizdan juda minnatdor bo‘ladi.

http://www.allbest.ru/ saytida joylashgan

Kirish

Nanotexnologiya - atom va molekulyar darajadagi texnologiya elementlarini ishlab chiqarish va xossalari haqidagi fan - endi "hammaning og'zida". Fantaziya olamidagi bunday elementlardan tayyorlangan nanoqurilmalar va nanomachinlar allaqachon zamonaviy hayotga kirib bormoqda. Va bu fanning bir qismi fiziklar, kimyogarlar va materialshunoslarning yuzlab tadqiqot guruhlarini jalb qilgan nanotube va fulleren tadqiqotlarining jadal rivojlanayotgan tarmog'idir.

Istalgan xususiyatlarga va boshqariladigan o'lchamlarga ega nanostrukturalarni yaratish muammosi shulardan biridir muhim masalalar XXI asr. Uning yechimi elektronika, materialshunoslik, mexanika, kimyo, tibbiyot va biologiyada inqilob qiladi.

Uglerod nanotubalari (CNTs) noyob makromolekulyar tizimlardir. Ularning juda kichik nanometr diametri va katta mikron uzunligi ularning tuzilishi jihatidan ideal bir o'lchovli (ID) tizimlarga eng yaqin ekanligini ko'rsatadi. Shuning uchun CNTlar kvant hodisalari nazariyasini, xususan, past o'lchamli qattiq holat tizimlarida kvant transportini sinab ko'rish uchun ideal ob'ektlardir. Ular kimyoviy va termal jihatdan kamida 2000 K gacha barqaror, mukammal issiqlik o'tkazuvchanligiga, noyob kuchga va mexanik xususiyatlarga ega.

Nanotubalar tuzilishining soddaligi ularning tuzilmalarining nazariy modellarini ishlab chiqish imkonini beradi. Shu sababli, kelajakda CNTlarni yangi kutilmagan ilovalar kutmoqda, ayniqsa biologiyadagi ilovalar uchun (hujayra ichidagi molekulalarning manipulyatsiyasi, sun'iy neyron tarmoqlari, nanomexanik xotira va boshqalar).

1. Bir qavatli nanotubalar

1.1 Kashfiyot

1993 yil boshida bir nechta olimlar guruhi yoy bug'lanishi jarayonida modifikatsiyalangan elektrodlar yordamida uglerod nanozarralari yoki nanotubalarga begona materiallarni kiritish mumkinligini ta'kidladilar. Kaliforniyadagi Rodni Ruoff guruhi va Yaponiyadagi Yaxachi Saito guruhi lantan bilan to'ldirilgan elektrodlar yordamida kapsulalangan LaC2 kristallarini olishdi, Suppapan Serafin va uning hamkasblari YC2 ni itriy o'z ichiga olgan elektrodlar yordamida nanotubkalarga kiritish mumkinligini xabar qilishdi. Bu ish "molekulyar konteynerlar" sifatida nanozarrachalar va nanotubalarga asoslangan butunlay yangi sohani ochdi, lekin u ham bilvosita bir xil darajada muhim ilovalar bilan butunlay boshqacha kashfiyotga olib keldi.

Donald Bethune va uning San-Luisdagi IBMning Kaliforniyadagi Almaden tadqiqot markazidagi hamkasblari Ruoff va boshqalarning maqolalariga juda qiziqishdi. Ushbu guruh o'zlarining xotira ilovalarida magnit materiallar ustida ishlagan va uglerod bilan qoplangan ferromagnit o'tish metall kristalitlari bu sohada katta ahamiyatga ega bo'lishi mumkinligiga ishonishgan. Bunday materiallarda o'ralgan metall zarrachalar magnit momentlarini saqlab qolishlari va bir vaqtning o'zida qo'shnilaridan kimyoviy va magnit jihatdan ajratilgan bo'lishi kerak. Bir necha yil davomida ushbu IBM guruhi "eschuedral fullerenes" ustida ishlamoqda; ichida oz miqdordagi metall atomlarini o'z ichiga olgan fullerenlar. Ammo fullerenga o'xshash hujayralar ichidagi yirik klasterlar yoki kristallar eng katta amaliy qiziqish uyg'otadi. Shu sababli, Bethune ferromagnit o'tish metallari temir, kobalt va nikel bilan singdirilgan elektrodlar yordamida yoyni bug'lash tajribalarini o'tkazishga qaror qildi. Biroq, bu tajribaning natijasi kutilgandek bo'lmadi. Birinchidan, yoy bug'lanishi natijasida olingan kuyikish toza grafitning yoy bug'lanishi natijasida hosil bo'lgan odatiy materialga o'xshamas edi. Xonaning devorlariga quyuq qatlamlar o'rgimchak to'ri kabi osilib turardi, devorlarga yotqizilgan material esa kauchuk to'qimalarga ega bo'lib, uni olib tashlash mumkin edi. Bethune va uning hamkasbi Robert Beyers elektron mikroskop yordamida ushbu g'alati yangi materialni sinab ko'rganlarida yuqori aniqlik, ular bir atom qatlamli devorlarga ega bo'lgan ko'plab nanotubalarni o'z ichiga olganini bilib hayratda qolishdi. Bu go'zal quvurlar amorf kuyikish va metall yoki metall karbidning zarralari bilan aralashib, bu materialni uning g'alati tuzilishiga mos keladigan tarzda qo'llab-quvvatladi. Ushbu maqola Nature tomonidan nashrga qabul qilingan va 1993 yil iyun oyida paydo bo'lgan. Ushbu qog'ozdan olingan mikrograflar 1.1-rasmda ko'rsatilgan.

Shakl 1.1 - Bethune va boshqalardan olingan tasvirlar, grafit va kobaltning birgalikda bug'lanishi natijasida hosil bo'lgan bir devorli uglerod nanotubalarini ko'rsatadi. Quvurlarning diametri taxminan 1,2 nm.

Amerika guruhidan mustaqil ravishda, Yaponiyadagi NEC laboratoriyalaridan Sumio Iijima va Toshinari Ichixashi ham modifikatsiyalangan elektrodlar yordamida yoy bug'lanishi bilan tajriba o'tkazdilar. Bundan tashqari, ular kamon bug'lanish kamerasi ichidagi atmosferani o'zgartirish ta'siri bilan qiziqishdi. Bethune va uning hamkasblari singari, ular ma'lum sharoitlarda, odatda yoy bug'lanishi natijasida hosil bo'lganidan farqli o'laroq, juda boshqacha turdagi kuyikish hosil bo'lishini aniqladilar. Ushbu tadqiqot uchun yapon olimlari elektrodlariga temir o'rnatdilar va atmosfera sifatida geliy o'rniga metan va argon aralashmasidan foydalanishdi. Yuqori aniqlikdagi elektron mikroskop yordamida tekshirilganda, bunday yoy bug'lanishining materialida amorf material yoki metall zarrachalari klasterlari orasidagi iplar kabi cho'zilgan juda ajoyib nanotubalar mavjudligi aniqlandi. Bir devorli nanotubalar uzluksiz yoy bug'lanishida olinganlardan juda tor diametrli taqsimot bilan farq qiladi. "An'anaviy" quvurlar bo'lsa, ichki diametri 1,5 dan 15 nm gacha, tashqi diametri esa 2,5 dan 30 nm gacha. Boshqa tomondan, bitta devorli nanotubalarning barchasi juda o'xshash diametrga ega. Bethune va uning hamkasblari materialida nanotubalarning diametri 1,2 (± 0,1) nm bo'lgan, Iijimai Ichixashi esa trubaning diametri 0,7 dan 1,6 nm gacha, markazda taxminan 1,05 nm ekanligini aniqladi. An'anaviy yoy bug'lanishi orqali ishlab chiqarilgan quvurlar singari, barcha bir devorli nanotubalar yopilgan va bu quvurlarning uchlarida metall katalizator zarralari mavjudligi haqida hech qanday dalil yo'q edi. Shunga qaramay, bitta devorli nanotubalarning o'sishi asosan katalitik ekanligiga ishoniladi.

1.2 Bir devorli nanotubalarda keyingi ishlar

Asl nusxadan keyin fundamental tadqiqotlar, Donald Bethune va uning San-Xosedagi IBM’dagi hamkasblari Kaliforniya Texnologiya Instituti, Texnika va Virjiniya shtat universiteti olimlari bilan hamkorlikda “katalizatorlar” massasi yordamida bir devorli nanotubalarni tayyorlash bo‘yicha qator tadqiqotlar o‘tkazdilar. " Birinchi seriyalardan birida ular anodga oltingugurt va kobalt qo'shilishi (sof S yoki CoS sifatida) faqat kobalt bilan tayyorlanganidan ko'ra kengroq diametrli nanotubalarga olib kelishini ko'rsatdi. Shunday qilib, katodda oltingugurt aniqlanganda diametri 1 dan 6 nm gacha bo'lgan bir qatlamli nanotubalar olindi, sof kobalt holatida esa 1-2 nm. Keyinchalik, vismut va qo'rg'oshin katta diametrli quvurlarning shakllanishiga yordam berishi mumkinligi ko'rsatildi.

1997 yilda frantsuz guruhi nanotubalarning yuqori hosiliga yoy bug'lanishi bilan ham erishish mumkinligini ko'rsatdi. Ularning usuli Bethune va uning hamkasblari tomonidan yaratilgan asl texnikaga o'xshash edi, lekin ular bir oz boshqacha reaktor geometriyasidan foydalanganlar. Bundan tashqari, Bethune guruhi tomonidan afzal qilingan kobalt emas, balki katalizator sifatida nikel / itrium aralashmasi ishlatilgan. Aniqlanishicha, eng ko'p sonli nanotubalar katod konining atrofidagi "yoqa" da hosil bo'lgan, bu bug'langan materialning umumiy massasining taxminan 20% ni tashkil qiladi. Quvurlarning umumiy hosildorligi 70-90% ga baholandi. Yuqori aniqlikdagi elektron mikroskop yordamida "yoqa" materialini o'rganish diametri taxminan 1,4 nm bo'lgan naychalardan ko'plab to'plamlar mavjudligini ko'rsatdi. Ushbu chiqish va hosil bo'lgan naychalarning ko'rinishi lazerli bug'lanishdan foydalangan holda Smalley guruhining "tortma" namunalariga o'xshaydi.

1993 yil oxirida Delaver shtatining Wilmington shahridagi DuPont kompaniyasidan Shekhar Subramoni SPI International tadqiqotchilari bilan hamkorlikda bir devorli nanotubalarni ishlab chiqarishni boshqacha tarzda tasvirlab berdi. Bu olimlar gadoliniy bilan to'ldirilgan elektrodlar yordamida yoy bug'lanishini qo'llashdi va reaktor devorlaridan kuyik to'plashdi. Ko'p miqdorda amorf uglerod bilan birgalikda kuyik tarkibida "" tuzilmalari mavjud edi. dengiz kirpisi", unda gadoliniy karbidning nisbatan katta zarralari (o'nlab nanometrlarning odatiy o'lchamlari bilan) o'sadigan bir qatlamli nanotubalar mavjud edi. Bunday naychalar temir guruhidagi metallar bilan olinganidan ko'ra qisqaroq edi, ammo diametrlari bir xil edi. Keyingi tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki. radial bir qatlamli nanotubalar turli xil boshqa metallar, jumladan, lantan va itriyda hosil bo‘lishi mumkinligi.Saito va uning hamkasblari ishidan olingan 1.2-rasmda lantan bo‘lgan zarrachadan radial tarzda o‘sib borayotgan bir devorli nanotubalarning odatiy tasviri ko‘rsatilgan. temir guruhi metallari, nodir tuproq elementlari koʻp qatlamli nanotubalarni olish uchun katalizator boʻlishi maʼlum emas, shuning uchun ular ustida naychalar hosil boʻlishi juda ajablanarli. Quvurlarning nisbatan katta zarrachalarda oʻsishi bunday oʻsish mexanizmi boshqacha ekanligini koʻrsatadi. Naychalarning zarrachalar yuzasida o'sishi karbid zarralarining ichki qismidan o'ta to'yingan uglerod atomlarini chiqarishni o'z ichiga olishi mumkinligi taxmin qilingan. Katalitik zarrachalarning ko'p qatlamli naychalarining o'sishi ko'p yillar oldin Beyker va boshqalar tomonidan kuzatilgan.

Bir devorli nanotubalarni ishlab chiqarish uchun hozirgacha muhokama qilingan usullar modifikatsiyalangan elektrodlar yordamida yoy bug'lanishini o'z ichiga oladi. Smalley va uning hamkasblarining ishi shuni ko'rsatdiki, bir devorli nanotubalarni sof katalitik usul yordamida ham sintez qilish mumkin. Bir necha nanometr diametrli molibden zarralaridan foydalangan holda katalizator alyuminiy ustida joylashgan edi. Bularning barchasi quvurga o'xshash pechning ichiga joylashtirildi, u orqali uglerod oksidi 1200 ° S haroratda o'tkazildi. Bu harorat nanotubalarni katalitik ishlab chiqarishda keng qo'llaniladigan haroratdan ancha yuqori, bu ko'p qatlamli emas, balki bir devorli nanotubalar hosil bo'lishini tushuntirishi mumkin.

Katalitik tarzda tayyorlangan bir qavatli quvurlar bir qator qiziqarli xususiyatlarga ega bo'lib, ularni yoy bug'lanishi bilan sintez qilingan quvurlardan ajratib turdi. Birinchidan, katalitik naychalar odatda kataliz natijasida hosil bo'lgan ko'p qatlamli quvurlar kabi uchiga biriktirilgan kichik metall zarrachalarga ega edi. Bundan tashqari, zarrachalar diametrlarining keng diapazoni (taxminan 1-5 nm) mavjud edi va har bir naychaning diametri tegishli katalizator zarrachasining diametri bilan aniqlanganga o'xshaydi. Nihoyat, katalitik tarzda hosil bo'lgan bir qatlamli quvurlar, odatda bug'lanish yoyi bilan sintez qilingan quvurlarda bo'lgani kabi, o'ralgan emas, balki izolyatsiya qilingan.

Ushbu kuzatishlar Smalley va uning hamkasblariga katalitik tarzda hosil bo'lgan naychalar uchun o'sish mexanizmini taklif qilish imkonini berdi, bu bir qatlamli qopqoqning dastlabki shakllanishini (ular yarmolka deb atashgan, do'ppi uchun ibroniycha nomi), so'ngra bu qopqoqning o'sishini o'z ichiga oladi. katalitik zarralar, keyinchalik ular naychani tark etadi. Bu mexanizm lazer bug'lanishi paytida bir qatlamli quvurlar o'sishi uchun ular tomonidan taklif qilinganidan butunlay farq qiladi.

1.2-rasm - Lantan zarrachasida o'sadigan bir qatlamli nanotubalar

1.3-rasm - Bir qatlamli nanotubalarning "to'plamlari" dan olingan namunalarning TEM tasvirlari (a)

Koʻp sonli toʻplamlarni koʻrsatuvchi past aniqlikdagi rasm, (b) oʻz oʻqi boʻylab koʻrsatilgan alohida toʻplamning yuqori aniqlikdagi mikrografi.

1.3 Nanotube to'plamlari

1985 yilda Rays C60 da kashf qilinganidan beri Smalley guruhi fullerenga o'xshash materiallarni sintez qilishda lazerlardan foydalanishga e'tibor qaratdi. 1995 yilda ular lazer sintezi texnologiyasini ishlab chiqish haqida xabar berishdi, bu ularga yuqori rentabellikdagi bir devorli nanotubalarni olish imkonini berdi. Bu usulning keyingi takomillashuvlari noodatiy bir xil diametrli bir devorli nanotubalarni ishlab chiqarishga olib keldi. Bir hil bir devorli nanotubalarning eng yaxshi rentabelligi Co va Ni ning teng qismlaridan tashkil topgan katalizator aralashmasi bilan olingan va bunday nishonning yanada tekis bug'lanishini ta'minlash uchun qo'sh puls ishlatilgan.

Ushbu texnologiya yordamida olingan materialning bir nechta mikrografigi 1.3-rasmda ko'rsatilgan. Umumiy tomonidan ko'rinish yoy bug'lanishi natijasida olingan materialga juda o'xshaydi. Shu bilan birga, alohida quvurlar bir xil diametrli alohida quvurlardan iborat bo'lgan "to'plamlar" yoki kengaytirilgan to'plamlar hosil qiladi. Ba'zan elektron nurning yo'nalishidan yaqin masofada o'tgan to'plamlarni aniqlash mumkin edi, shuning uchun ularni 1.3 (b)-rasmdagi kabi "uchdan uchigacha" ko'rish mumkin edi. Elektron mikroskopiyadan tashqari, Smalley va uning hamkasblari Jon Fisher va Pensilvaniya shtat universitetidagi hammualliflar bilan hamkorlikda arqon namunalarida rentgen nurlari diffraktsiyasini o'lchashdi. 2D panjaradan yaxshi aniqlangan aks ettirishlar olindi, bu quvurlar bir xil diametrga ega ekanligini tasdiqlaydi. Nanotubalarning diametri ± 0,02 nm xatolik bilan 1,38 nm degan faraz ostida eksperimental ma'lumotlar bilan yaxshi kelishuv topildi. Naychalar orasidagi van der Waals bo'shlig'i kristalli C 60 ga o'xshash 0,315 nm ekanligi aniqlandi. XRD tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, bu to'plamlar asosan (10,10) stul nanotubalaridan iborat. Bu elektron nurning elektron nanodiffraktsiyasi o'lchovlari bilan aniq tasdiqlandi, shuning uchun ularni 1.3 (b)-rasmdagi kabi "oxirida" ko'rish mumkin edi.

2. Nanonaychalar o‘sishi nazariyalari

2.1 Umumiy izohlar

Avval quvur strukturasining o'sishiga ta'sirini hisobga olish kerak. Iijima o'zining 1991 yilgi "Tabiat" nomli maqolasida spiralsimon struktura afzalroq ko'rinishini ta'kidladi, chunki bunday quvurlar o'sib borayotgan uchida takrorlanuvchi qadamga ega. 2-rasmda ko'rsatilgan bu taxmin kristall yuzasida vint dislokatsiyasining ko'rinishiga juda o'xshaydi. Kreslolar va zigzag nanotubalari bunday o'sish uchun imtiyozli tuzilishga ega emas va olti burchakli yangi halqani qayta tiklashni talab qilishi kerak. Bu shuni ko'rsatadiki, spiral nanotubalar kreslo yoki zigzagga qaraganda tez-tez kuzatilishi kerak, ammo hozirda buni tasdiqlovchi eksperimental dalillar etarli emas.

2-rasm - O'sayotgan uchlarida qadamlar mavjudligini ko'rsatadigan ikkita konsentrik spiral quvurlarning chizilgani (5)

Keyinchalik, o'sish mexanizmi uchun juda muhim savol bor - o'sayotgan naychalar yopiq yoki ochiq uchlari bormi? Birinchi marta Endo va Kroto tomonidan taklif qilingan nanotube o'sish modeli yopiq mexanizmni qo'llab-quvvatladi. Ular uglerod atomlari yopiq fulleren yuzasiga beshburchakli halqalar yaqinidagi o'rnida kiritilishi mumkin, so'ngra muvozanat holatiga o'tadi, buning natijasida asl fulleren doimiy ravishda chiqariladi deb taxmin qilishdi. Ushbu g'oyani qo'llab-quvvatlash uchun Endo va Kroto Ulmer va boshqalarning C 60 va C 70 kichik uglerod qismlari qo'shilishi bilan aniq katta fullerenlarga aylanishi mumkinligi haqidagi namoyishini keltirdilar.

Endo-Kroto mexanizmi bir devorli nanotubalarning o'sishi uchun ishonchli tushuntirish beradi, lekin u ko'p qatlamli o'sishni tushuntirish uchun asosiy muammo bo'lib qolmoqda. Endo va Kroto modellarini ko'rib chiqishda ular ko'p qatlamli o'sishni "epitaxial" tarzda amalga oshirish mumkinligini taklif qilishadi. Agar shunday bo'lsa, ikkinchi qavatning dastlabki fulleren hosil bo'lgandan so'ng darhol o'sishni boshlamasligi uchun hech qanday aniq sabab yo'qdek tuyuladi va ikkinchi qatlam yopilgandan so'ng, ichki trubaning yanada kengayishi mumkin emas. Ammo bu ko'pchilik quvurlarning butun uzunligi bo'ylab ko'p qatlamli ekanligi haqidagi kuzatuvga ziddir. Bunday model, shuningdek, bir nechta filiallari bo'lgan tuzilmalarni tushuntirishda qiyinchiliklarga ega. Shu sabablarga ko'ra, Endo-Kroto yopiq o'sish mexanizmi keng ko'lamda qabul qilinmagan.

O'sish mexanizmi trubaning ochiq uchi bilan sodir bo'lishi kerak degan xulosa biroz afzalroqdir. Richard Smolli aytganidek, "Agar biz 1984-1985 yillarda uglerodning qanday kondensatsiyalanishi haqida biror narsa o'rgangan bo'lsak, ochiq varaqlar osilgan aloqalarni yo'q qilish uchun beshburchaklarni osongina bog'lashi kerak". Quvurlarni yopish uchun qulay sharoitlarda ochiq uchi bilan qolishi muammosi ko'rib chiqilgan muammolardan biridir. butun chiziq mualliflar.

2.2 Nima uchun nanotubalar o'sish jarayonida ochiq qoladi

Ba'zi mualliflar, xususan, Smalley va uning hamkasblari, o'sish vaqtida quvurlarni ochiq saqlashda yoydagi elektr maydoni muhim rol o'ynashi mumkinligini ta'kidladilar. To'g'rirog'i, bu bug'lanish kamerasining devorlarida kondensatsiyalangan kuyik tarkibida nanotubalar hech qachon topilmasligini tushuntirishga yordam berishi kerak edi. Biroq, hisob-kitoblar shuni ko'rsatdiki, maydondan kelib chiqadigan ochiq energiyaning qisqarishi ochiq konfiguratsiyani barqarorlashtirish uchun etarli emas, haqiqiy bo'lmagan yuqori maydonlar bundan mustasno. Shu sababli, oqlangan model ishlab chiqilgan bo'lib, unda atom qatlamlar orasida "nuqta payvandlangan" bo'lib, uni yopish emas, balki ochiq uchining shakllanishini barqarorlashtirishga yordam beradi.

Bu g'oya alohida ko'p qatlamli nanotubalarni kuchlanish farqi bilan va qo'llamasdan yopish bo'yicha tajribalar bilan tasdiqlandi. Bunday model yoydagi nanotubalarning o'sishini tushunishga yordam beradi, ammo kuchli elektr maydonlari mavjud bo'lmagan naycha o'sishi holatiga qo'llanilmaydi. Bu ba'zi mualliflarni birlashtirilgan konsentrik naychalar orasidagi o'zaro ta'sirlar ochiq quvurlarni barqarorlashtirish uchun muhim bo'lishi mumkin degan fikrga olib keldi.

Ikkita birlashtirilgan naychalarning o'zaro ta'sirining batafsil tahlili Jan-Kristof Charlier va uning hamkasblari tomonidan molekulyar dinamika usullaridan foydalangan holda amalga oshirildi. Ular (18,0) trubaning ichidagi (10,0) trubani ko'rib chiqdilar va ikkita quvur uchlari orasida ko'priklar hosil bo'lganligini aniqladilar. Yuqori haroratlarda (3000 K) yopishqoq bog'lovchi tuzilmalarning konfiguratsiyasi doimiy ravishda o'zgarib turishi aniqlandi. O'zgaruvchan tuzilma yangi uglerod atomlarini adsorbsiyalash va kiritish uchun faol maydonlarni yaratishi va shu bilan naychaning o'sishiga hissa qo'shishi kerak deb taxmin qilingan.

Ushbu nazariyaning muammosi shundaki, u fulleren kuyikish ustidagi issiqlik ta'sirida katta diametrli bir devorli quvurlarning o'sishini tushuntira olmaydi. Umuman olganda, hozirgi vaqtda ochiq nanotubalarning o'sishi uchun to'liq tushuntirish mavjud emas.

2.3 Ark plazmasining xossalari

Yuqorida muhokama qilingan nanotuba o'sish modellarining aksariyati quvurlar yadroli bo'lib, yoy plazmasida o'sadi deb taxmin qiladi. Biroq, ba'zi mualliflar plazmaning jismoniy holatini va uning nanotubalarning shakllanishidagi rolini ko'rib chiqdilar. Ushbu muammoning eng batafsil muhokamasi plazma fizikasi bo'yicha mutaxassis Evgeniy Gamaley va Tomas Ebbesen tomonidan olib borilgan (30, 31). Bu murakkab masala va bu erda faqat qisqacha xulosa qilish mumkin.

Gamalei va Ebbesen nanotubalar va nanozarrachalar katod yuzasi yaqinidagi yoy hududida hosil bo'ladi degan taxmin bilan boshlanadi. Shunday qilib, ular modelini ishlab chiqish uchun yoyning harorati va xususiyatlarini hisobga olgan holda, hududdagi uglerod bug'ining zichligi va tezligini tahlil qiladilar. Ular katod yuzasi yaqinidagi uglerod bug 'qatlamida turli tezlik taqsimotiga ega bo'lgan ikki guruh uglerod zarralari mavjud bo'lishiga ishonishadi. Bu g'oya ularning o'sish modelida markaziy o'rin tutadi. Uglerod zarralarining bir guruhi Maksvellga ega bo'lishi kerak, ya'ni. yoy haroratiga mos keladigan izotrop tezlik taqsimoti (~ 4000 K). Boshqa guruh musbat fazoviy zaryad va katod orasidagi bo'shliqda tezlashuvchi ionlardan iborat. Ushbu uglerod zarralarining tezligi termal zarrachalarning tezligidan kattaroq bo'lishi kerak, bu holda oqim izotropik emas, balki yo'naltirilishi kerak. Nanotubalarni (va nanozarrachalarni) shakllantirish jarayoni har biri quyidagi bosqichlardan iborat bo'lgan bir qator tsikllar sifatida ko'rib chiqiladi:

1. Embrionning shakllanishi. Bo'shatish jarayonining boshida bug'langan qatlamda uglerodning tezlik taqsimoti asosan Maksvell bo'ladi va bu nanozarrachalar kabi hech qanday simmetriya o'qi bo'lmagan tuzilmalarning shakllanishiga olib keladi. Oqim yo'naltirilgan bo'lsa, ochiq tuzilmalar shakllana boshlaydi, Gamalei va Ebbesen ularni nanotuba o'sishi uchun yadro deb biladi.

2.Barqaror tushirish vaqtida trubaning o'sishi. Chiqarish barqarorlashganda, uglerod ionlari oqimi bug 'qatlamiga katod yuzasiga perpendikulyar yo'nalishda kiradi. Ushbu uglerod zarralari bir devorli va ko'p devorli nanotubalarning cho'zilishiga hissa qo'shadi. Yo'naltirilgan uglerod zarralarining qattiq sirt bilan o'zaro ta'siri bug 'qatlamining uglerod zarralariga qaraganda kuchliroq bo'lishi kerakligi sababli, kengaytirilgan tuzilmalarning o'sishi izotrop tuzilmalarning shakllanishidan ustun bo'lishi kerak. Shu bilan birga, katod yuzasidagi bug 'qatlamidan uglerodning kondensatsiyasi nanotubkalarning qalinlashishiga yordam beradi.

3. O'sishning tugashi va yopilishi. Gamaley va Ebbesen ta'kidlashicha, nanotubalar ko'pincha to'plamlarda o'sib boradi va barcha naychalar uchun kuzatilgan to'plamda o'sish va tugatish bir vaqtning o'zida sodir bo'ladi. Bu ularga yoy oqimida beqarorlik paydo bo'lishini taklif qilish imkonini beradi, bu esa nanotubka o'sishining to'satdan to'xtashiga olib kelishi mumkin. Bunday beqarorliklar katod joyining katod yuzasi bo'ylab beqaror harakati yoki yoyning o'z-o'zidan uzilishi va yonishi natijasida yuzaga kelishi mumkin. Bunday sharoitda Maksvell tezligi taqsimotiga ega bo'lgan uglerod zarralari yana ustunlik qiladi va bunday uglerodning kondensatsiyasi oxir-oqibat naychaning yopilishiga va o'sishni to'xtatilishiga olib keladi.

2.4 Muqobil modellar

Olimlar yoy bug'lanishi paytida nanonaychalar o'sishining butunlay boshqacha nazariyasini taqdim etdilar. Bu modelda nanotubalar va nanozarrachalar yoy plazmasida o‘smaydi, aksincha, qattiq holatning o‘zgarishi natijasida katodda hosil bo‘ladi. Shunday qilib, nanotubalarning o'sishi elektr maydonining ta'sirining natijasi emas, balki shunchaki tez isitish yoy harakati paytida katodga yotqizilgan material tomonidan boshdan kechirilgan yuqori haroratlarga. Bu g‘oya nanotubalarni fulleren kuyasini yuqori haroratli termik ishlov berish yo‘li bilan tayyorlash mumkinligi va fulleren kuyasi oraliq mahsulot bo‘lgan ikki bosqichli nanotuba o‘sish jarayonini o‘z ichiga olganligi haqidagi kuzatuv natijasida boshlangan. Modelni quyidagicha umumlashtirish mumkin. Ustida erta bosqichlar yoy bug'lanishi, fullerenga o'xshash material (plyus fullerenlar) katodda kondensatsiyalanishi kerak, so'ngra yoy jarayonining davom etishi davomida kondensatsiyalangan material yuqori haroratga duchor bo'lishi kerak, bu esa birinchi bir qatlamli nanotubik hosil bo'lishiga olib keladi. kabi tuzilmalar, keyin esa ko'p qatlamli nanotubalar. Ushbu ikki bosqichli modelda asosiy harakat fulleren quyqasini tozalashdir. Shunday qilib, nisbatan zaif tavlanishga uchragan reaktor devorlariga yotqizilgan kuyikish quvurlarga aylanmaydi. Boshqa tomondan, katodda kondensatsiyalanadigan kuyikish shunchaki sezilarli tavlanishni boshdan kechirishi kerak: bu qattiq massa shaklida quvurlar va nanozarrachalarning shakllanishiga olib keladi. Shuning uchun bunday model elektrodni sovutish va geliy bosimi kabi o'zgaruvchilarning nanotubalarni ishlab chiqarishga ta'sirini tushuntirishga imkon beradi. Ko'rinib turibdiki, suvni sovutish katod haroratini quvur shlaklanishiga yo'l qo'ymaslik uchun zarur bo'lgan darajada past darajada ushlab turish uchun zarur bo'lishi kerak. Xuddi shunday, geliyning rolini uning katod konining haroratiga ta'siri bilan izohlash mumkin. Geliy ajoyib issiqlik o'tkazuvchisi bo'lganligi sababli, yuqori bosimlar elektrod haroratining pasayishiga olib kelishi kerak, bu esa nanotubka o'sishi shlaksiz sodir bo'lishi mumkin bo'lgan hududlarda tushishiga olib keladi.

2.5 Bir devorli nanotubalarning o'sishi

Keling, avval boshq bug'latgichda bir qavatli nanotubalarning o'sishini ko'rib chiqaylik. Bu jarayon ko'p qatlamli nanotubalarning yoyda o'sishidan kam bo'lmagan savollar tug'diradi. Ulardan eng aniqlari: Nima uchun faqat bitta devorli nanotubalar kuzatiladi? Nima uchun quvur diametrlarining bunday tor taqsimoti mavjud? Metallning roli qanday? Nima uchun quvurlar ko'pincha shamlardan o'sadi? Shunga qaramay, bizda bu savollarga faqat bir nechta aniq javoblar bor.

Aniq ko'rinadigan narsa shundaki, bitta devorli nanotubalarning o'sishi asosan termodinamika emas, balki kinetika bilan belgilanishi kerak, chunki juda kichik diametrli quvurlar kattaroqlarga qaraganda kamroq barqaror bo'lishi kutilmoqda. Ko'p qatlamlarning yo'qligi, ehtimol, kinetik omillar bilan ham cheklangan. Metallning roliga kelsak, Bethune ham, uning hamkasblari ham, Iijima va Ichixashi ham bitta metall atomlari yoki ularning kichik klasterlari kichik metall zarralari ko'p qatlamli qatlamlarning o'sishini katalizlashiga o'xshash tarzda bug 'fazasining o'sishi uchun katalizator bo'lishi mumkinligini taklif qilishdi. quvurlar. Alohida atomlar yoki aniq belgilangan klasterlarning ishtiroki tor o'lchovli taqsimotlarni tushuntirishga yordam berishi kerak. Ajablanarlisi shundaki, katalitik zarralar bir devorli nanotubkalarning tepalarida hech qachon kuzatilmaydi. Katalitik zarralar alohida atomlar bo'lsa ham, ularni yuqori aniqlikdagi elektron mikroskop yoki skanerlash transmissiya elektron mikroskopiya (STEM) yordamida aniqlash mumkin edi. Quvurlarni yopish paytida katalitik atomlar yoki zarrachalar ajralib ketishi mumkin. Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, Bethune va uning hamkasblari metallga oltingugurt kabi elementlarning qo'shilishi quvur diametrlarining taqsimlanishini katta darajada buzishi mumkinligini ko'rsatdi. Ushbu hodisani qo'shimcha tekshirish o'sish mexanizmi haqida foydali tushunchalarni berishi mumkin.

Ching-Xva Kiang va Uilyam Goddard bir devorli nanotubalarning o'sishi uchun batafsil modelni ishlab chiqishga qaratilgan bir nechta urinishlardan biri edi. Ushbu tadqiqotchilar plenar polien halqalari bir devorli nanotubalarni hosil qilish uchun yadro bo'lib xizmat qilishini taklif qilishadi. Bunday halqali tuzilmalar uglerod juftlarida dominant zarralar bo'lishi kerakligi ko'rsatilgan, yopiq ramka tuzilmalari esa katta o'lchamlarda hukmronlik qiladi. Uglerod halqalari fullerenlarning paydo bo'lishida kashshof bo'lishi mumkinligi taxmin qilingan, ammo bu hali ham munozarali. Kiang va Goddard bir devorli nanotubalarni shakllantirish uchun dastlabki materiallar monosiklik uglerod halqalari va gaz fazali kobalt karbid klasterlari, ehtimol zaryadlangan deb hisoblashadi. Kobalt karbid klasterlari C 2 halqalari yoki boshqa zarrachalarga biriktirilganda katalizator vazifasini bajaradi. Ushbu mualliflar ma'lum bir konformatsiya paydo bo'lgan nanotube tuzilishiga ta'sir qilishi kerakligini taklif qiladilar.

Smalley va uning hamkasblari nanotube to'plamlarini sintez qilishdan so'ng, Kiang va Goddard mexanizmlariga o'xshashliklarga ega bo'lgan o'sish mexanizmini taklif qilishdi. Ushbu model barcha quvurlar bir xil (10,10) stul tuzilishiga ega degan taxminga asoslanadi. Ushbu tuzilma ochiq olti burchakli halqalarni uch tomonlama bog'lanish bilan "bir-biriga yopishib olish" imkonini beradigan noyobdir, garchi ular dastlabki chiziqli joylashuviga nisbatan sezilarli darajada taranglashishi kerak. Keyin Smalley guruhi bitta nikel atomi kimyoviy yo'l bilan quvur uchiga adsorbsiyalanishini va atrof-muhit bo'ylab "yugurishini" taklif qiladi (2.1-rasm), kiruvchi uglerod atomlarining olti burchakli halqalarga joylashishiga yordam beradi. Har qanday mahalliy sub-optimal tuzilmalar, jumladan, beshburchaklar aks ettiriladi, shuning uchun bunday naycha cheksiz o'sishda davom etadi.

Bu erda, shuningdek, bitta devorli nanotubalarning o'sishi uchun taklif qilingan boshqa mexanizmlar uchun to'g'ridan-to'g'ri eksperimental dalillar mavjud emas.

2.1-rasm - (10,10) stul nanotubalarining o'sishi paytida "skuter" mexanizmining tasviri.

Dunyo bo'ylab bir qator olimlar guruhlari nanotubka namunalarini santrifüjlash, filtrlash va xromatografiya kabi usullardan foydalangan holda tozalashga harakat qilishdi. Ushbu usullarning ba'zilari sirt faol moddalar yordamida nanotubka o'z ichiga olgan materialning kolloid suspenziyalarini dastlabki tayyorlashni o'z ichiga oladi. Misol uchun, Jan-Mark Bonard va uning hamkasblari suvda nanotubalar va nanozarrachalarning barqaror suspenziyasiga erishish uchun anion sirt faol moddasi natriy dodekasiksulfat (SDS) dan foydalangan. Dastlab nanotubalarni nanozarrachalardan ajratish uchun filtrlash usuli qo‘llanilgan, ammo nanozarrachalarni suspenziyada qoldirib, nanotubkalarning flokulyatsiyalanishiga imkon berish orqali yanada muvaffaqiyatli ajratishga erishildi. Cho'kma olib tashlanishi mumkin va keyin keyingi yog'ingarchilik protseduralarini davom ettiring. Bu nafaqat nanopartikullarni ajratib olish imkonini berdi, balki quvurlarning uzunligi bo'ylab bir oz ajralishiga olib keldi.

Nanotube hajmini ajratishning yana bir usuli Duisberg va Shtutgartdagi Maks-Plank instituti va Dublin Triniti kollejidagi hamkasblari tomonidan tasvirlangan. Quvurlarni va boshqa materiallarni ajratish yana SDN kislotasida olingan. Ajratish keyinchalik o'lchamni istisno qilish xromatografiyasi (SEC) yordamida amalga oshirildi. Ushbu texnologiya biologik makromolekulalarni ajratish uchun keng qo'llanilgan va mualliflar nanotubka namunalarini turli uzunlikdagi naychalar bilan fraksiyalarga muvaffaqiyatli ajratish mumkinligini ko'rsatgan. Nanotubkalarni tozalashda SDN kabi sirt faol moddalardan foydalanishning mumkin bo'lgan kamchiliklaridan biri shundaki, sirt faol moddasining izlari yakuniy mahsulotda qolishi mumkin. Biroq, Bonard va uning hamkasblari yuvish orqali SDSni 0,1% dan pastga tushirishga erishish mumkinligini ko'rsatdi.

3. Bir qatlamli quvurlarni tozalash

Bir devorli quvurlarni tozalash texnikasi ham ishlab chiqilgan, garchi bu jarayon ko'p qatlamli nanotubalarga qaraganda ko'proq kuch talab qiladi. Ko'p miqdorda amorf uglerodga qo'shimcha ravishda, nanotubalarni o'z ichiga olgan uglerod qorasi ham metall zarralarni o'z ichiga oladi, ular ko'pincha uglerod bilan qoplangan. Bundan tashqari, ko'p qatlamli nanotubalarni tozalash uchun ishlatiladigan qattiq oksidlanish usullari bir qatlamli quvurlar uchun ham halokatli.

Yapon olimlari turli xil aralashmalarni ketma-ket chiqarib tashlash jarayonini bosqichma-bosqich tasvirlab berishdi. Birinchi bosqichda tozalanmagan kuyikish 12 soat davomida distillangan suv bilan yuviladi, keyin filtrlanadi va quritiladi. Ushbu protsedura grafit zarralarining bir qismini va amorf uglerodni olib tashlashga imkon berdi. Fullerenlar Soxlet apparatida toluol bilan yuvilgan. Keyin metall zarrachalaridan qutulish uchun kuyik 20 daqiqa davomida havoda 470 ° C gacha qizdirildi. Nihoyat, metall zarralarini eritib yuborish uchun qolgan kuyikish perklorik kislotaga ta'sir qildi. Yakuniy mahsulotni elektron mikroskopiya va rentgen nurlari diffraktsiyasi yordamida tekshirish shuni ko'rsatdiki, ifloslantiruvchi moddalarning ko'pchiligi olib tashlangan, garchi unda ba'zi to'ldirilgan va bo'sh nanozarrachalar qolgan.

Smalley va uning hamkasblari mikrofiltratsiya yordamida nanotubka namunalarini to'plamlardan tozalash usulini ishlab chiqdilar. Ular birinchi bo'lib nanotubalar suspenziyasini va eritmadagi qo'shimcha materialni tayyorlash uchun katyonik sirt faol moddadan foydalanish texnikasini tasvirlab berishdi va keyin nanotubkalarni membranaga joylashtirishdi. Shu bilan birga, tozalashning muhim darajasiga erishish uchun har bir filtrlashdan keyin bir nechta atala filtratsiyasi talab qilindi, bu esa bunday protsedurani juda sekin va samarasiz qiladi. Takomillashtirilgan usul qog'ozda sonikatsiya qo'llanilgan, filtrlash paytida materialni suspenziyada ushlab turadigan va shu tariqa katta miqdordagi namunani uzluksiz filtrlash jarayonini ta'minlagan holda tasvirlangan. Shu tarzda 90% dan ortiq SWNT o'z ichiga olgan materialni olish uchun 3-6 soat ichida 150 ml gacha uglerod qorasini tozalash mumkin edi.

Bir qatlamli quvurlarni xromatografiya yordamida ham tozalash mumkin edi, Duisburg va boshqalar MWNTs uchun qo'llaniladigan usulga o'xshash usulni tasvirlab berdi va uning SWNTs uchun samarali ekanligini ko'rsatdi.

4. Nanotuba namunalarini tekislash

uglerod nanotubkasi fullerenga o'xshash plazma

Yuqorida tavsiflangan ko'plab tayyorlash usullari tasodifiy yo'naltirilgan, nanotubkalar bilan namunalar ishlab chiqaradi. Quvurlar ko'pincha to'plamlarga guruhlangan bo'lsa-da, to'plamlarning o'zlari bir-biriga to'g'ri kelmaydi. Nanotubalarning xususiyatlarini o'lchash uchun barcha quvurlar bir xil yo'nalishda tekislangan namunalarga ega bo'lish juda foydali bo'ladi. Hizalangan quvurlarni tayyorlashning katalitik usullari allaqachon tasvirlangan bo'lsa-da, ularni sintez qilishdan keyin quvurlar namunalarini tekislash texnologiyalarini ishlab chiqish kerak edi. Shunday qilib, birinchi bunday usullardan biri 1995 yilda Shveytsariyadagi École Polytechnique Federale Lozanna guruhi tomonidan taklif qilingan. Ular nanozarrachalar va boshqa ifloslantiruvchi moddalarni olib tashlash uchun santrifüjlash va filtrlash orqali tozalangan yoy bug'lanishi bilan tayyorlangan MWNT namunasidan foydalanganlar. Keyin tozalangan nanotubalarning yupqa plyonkalari plastmassa yuzasiga yotqizildi va SEM tasvirlari ushbu quvurlar erkin joylashtirilgan holatda plyonkaga perpendikulyar tekislanganligini ko'rsatdi. Namuna yuzasiga parallel ravishda quvurlarni tekislash mumkinligi aniqlandi, ilgari teflon yoki alyuminiy folga bilan engil surtilgan. Mualliflarning ta'kidlashicha, filmlarni bu usul bilan "o'zboshimchalik bilan katta" qilish mumkin va ular bu plyonkalardan dala emissiya tajribalarini o'tkazish uchun foydalanganlar.

Nanotubalarni tekislashning yana bir usuli - bu quvurlarni matritsaga joylashtirish va keyin bunday matritsani qandaydir tarzda chiqarib tashlash, shunda quvurlar oqim yo'nalishi bo'yicha tekislanadi.

5. Uglerod nanotubalarining uzunligini nazorat qilish

1997 yil oxirida Delft va Rays universitetlari tadqiqotchilari tomonidan alohida bir devorli nanotubalarni boshqariladigan uzunliklarga kesish usuli tasvirlangan. Foydalanilgan nanotubalar Smalley guruhi tomonidan lazer bug'lanishi orqali ishlab chiqarilgan va skanerlash tunnel orqali tekshirish uchun oltin monokristallari yuzasiga joylashtirilgan. mikroskop. Tegishli nanotubka aniqlanganda, skanerlash to'xtatildi va Pt/Ir ignasi ushbu trubaning tanlangan nuqtasiga o'tkazildi. Keyin qayta aloqa o'chirildi va ma'lum vaqt davomida uchi va namuna o'rtasida kuchlanish pulsi qo'llanildi. Tekshiruv davom ettirilganda, agar kesish muvaffaqiyatli bo'lsa, nanotubada tanaffus paydo bo'ldi. Alohida quvurlarni to'rtta alohida pozitsiyaga qadar kesish mumkinligi ko'rsatildi. Kesish jarayonida hal qiluvchi omil oqim emas, balki kuchlanish ekanligi aniqlandi, kesish jarayoni uchun zarur bo'lgan minimal kuchlanish 4 V bo'lishi kerak.

Alohida nanotubalarni qisqa uzunliklarga bo'lish orqali mualliflar qisqa naychalarning elektr xossalari asl nanotubalarnikidan farq qilishini ko'rsatishga muvaffaq bo'lishdi. Bu farqlar kvant o'lchami effektlarining namoyon bo'lishi bilan bog'liq edi.

Alohida nanotubalarning uzunligini nazorat qilish bilan bir qatorda, bitta devorli nanotubalardan qisqa uzunlikdagi ommaviy namunalarni kesish ham mumkin. Buni 1998 yilda Smalley guruhi ko'rsatdi. Qisqa naychalardan namunalar olishning eng samarali usuli (ular "fulleren naychalari" deb nomlangan) sulfat va nitrat kislotalar eritmasida nanotuba materialini sonikatsiya qilishdir. Ushbu ta'sir qilish vaqtida sodiq sonokimyo quvurli sirtlarda teshiklarni hosil qiladi, keyinchalik ular kislotalar tomonidan hujumga uchraydi va ochiq "naychalar" hosil qiladi. Smalley va uning hamkasblari bu kanalchalarni dala oqimi fraksiyasi deb nomlanuvchi usul bilan turli uzunlikdagi fraksiyalarga ajratish mumkinligini ko‘rsatdi. Ular, shuningdek, bunday ochiq nanotubalarning uchlarini turli funktsional guruhlar bilan to'ldirishdi va oltin zarralari funudion naycha uchlariga yopishib olishini ko'rsatdi. Bu ishni uglerod nanotubalariga asoslangan yangi organik kimyoning boshlanishi deb hisoblash mumkin.

6. Tadqiqot tahlili

Iijima, Ebbesen va Ajayanning yoy bug'lanishi usuli, shubhasiz, nanotube sintezi uchun eng yaxshi texnika bo'lib qolmoqda. Yuqori sifat lekin u bir qator kamchiliklardan aziyat chekmoqda. Birinchidan, bu ko'p mehnat talab qiladi va takror ishlab chiqarishning tegishli darajasiga erishish uchun ma'lum mahorat talab qiladi. Ikkinchidan, undagi rentabellik ancha past, chunki katodga qaraganda ko'proq bug'langan uglerod kamera devorlariga to'planadi va nanotubalar nanozarrachalar va boshqa grafit bo'laklari bilan ifloslanadi. Uchinchidan, bu davom etayotgan jarayondan ko'ra ko'proq "pishirish" va uni kengaytirish oson emas. Agar nanotubalardan tijorat maqsadlarida foydalanilsa katta miqyosda, keyin, aftidan, tayyorlashning boshqa usulini qo'llash kerak bo'ladi. Ushbu yo'nalishdagi taraqqiyotga yoyda naycha o'sishi mexanizmini tushunmaslik to'sqinlik qiladi. Shu sababli, nanotube o'sishi mexanizmini tushuntirishga bag'ishlangan keyingi tadqiqotlar mamnuniyat bilan qabul qilinishi kerak.

Ko'p qatlamli nanotubalarni tayyorlash uchun yoyni bug'lash usuli va boshqa barcha joriy texnologiyalarning yana bir jiddiy zaifligi bor: ular keng ko'lamli quvurlar o'lchamlari va tuzilmalarini ishlab chiqaradi. Va bu nafaqat ba'zi ilovalar uchun muammo, balki nanoelektronika kabi maxsus quvurli tuzilmalar kerak bo'lgan sohalarda ham kamchilik bo'lishi mumkin. Muayyan tuzilmalarga ega quvurlarni tayyorlash usulini oldindan aytish mumkinmi? Ehtimol, bunga katalizatorlardan ijodiy foydalanish orqali erishiladi.

Tadqiqotchilar, hech bo'lmaganda ularning diametrlari bo'yicha, bir devorli quvurlarning ko'p devorli hamkasblariga qaraganda ko'proq bir xilligiga e'tibor qaratishadi. Biroq, to'g'ridan-to'g'ri bitta devorli naychalarni sintez qilish uchun ishlatiladigan usullar ko'p devorli nanotubkalarga qaraganda ancha murakkab. Smoly guruhi tomonidan ishlab chiqilgan lazerli bug'lanish texnikasi materialni ishlab chiqarishga xizmat qiladi eng yaxshi sifat eng yuqori rentabellikga ega, ammo bu usul uchun zarur bo'lgan yuqori energiyali lazerlar har doim ham oddiy laboratoriya uchun mavjud emas. Ko'p qatlamli quvurlarda bo'lgani kabi, oldinga siljish katalitik usullarni o'z ichiga olishi mumkin va bu yo'nalishdagi joriy tadqiqotlar daldalidir. Oxir oqibat, organik kimyogarlar nanotubalarning to'liq sintezini yakunlay olishlariga umid qilish kerak. Biroq, bu uzoq istiqbol bo'lishi mumkinligini yodda tutish kerak, chunki C60 ning to'liq sintezi hali amalga oshirilmagan.

Hozirgi vaqtda eng yaxshi sifatli nanotubalar katta miqdordagi ifloslantiruvchi moddalarni ishlab chiqaradigan usullar yordamida olinadi, ammo shuni ta'kidlash kerakki, ushbu materialni olib tashlash usullari mavjud. Yaxshiyamki, yaqinda bu sohada sezilarli yutuqlarga erishildi va endi ko'p qatlamli va bir devorli nanotubalar namunalaridan keraksiz nanozarrachalar, mikrog'ovak uglerod va boshqa ifloslantiruvchi moddalarni olib tashlashning bir qator usullari mavjud. Shuningdek, quvurlarni tekislash va ularni boshqariladigan uzunliklarga kesish uchun protseduralar ishlab chiqilgan. Ushbu texnologiyalar sof va aniq namunalarning etishmasligi hali ham jiddiy muammo bo'lgan sohalarda taraqqiyotga imkon beradi.

Xulosa

1991 yilda Injima tomonidan tasvirlangan nanotubalarni tayyorlash usuli nisbatan past hosil berdi, bu esa ularning tuzilishi va xususiyatlarini keyingi o'rganishni qiyinlashtirdi. 1992 yil iyul oyida Tomas Ebessen va Pulikel Ajayan Iijima bilan bir xil yapon laboratoriyasida ishlaganlarida, gramm miqdoridagi nanotubalarni tayyorlash usulini tasvirlab berganlarida katta muvaffaqiyat yuz berdi. Shunga qaramay, bu kutilmagan kashfiyot bo'ldi: fulleren hosilalarini tayyorlashga urinayotganda, Ebessen va Ajayan yoy kamerasida geliy bosimini oshirish katodli kuyikda hosil bo'lgan nanotubalarning hosildorligini keskin yaxshilaganini aniqladilar. Katta hajmdagi nanotubalarning mavjudligi butun dunyo bo'ylab tadqiqot sur'atlarining ulkan o'sishiga olib keldi.

Erta qiziqish uyg'otgan yana bir yo'nalish uglerod nanotubalari va nanozarrachalarni "molekulyar konteynerlar" sifatida ishlatish g'oyasi edi. Ajayan va Iijima tomonidan nanotubkalarni eritilgan qo'rg'oshin bilan to'ldirish va shu tariqa "nano simlar" uchun shablon sifatida foydalanish mumkinligini namoyish qilish bu yo'nalishdagi muhim voqea bo'ldi. Keyinchalik, nanotubalarni ochish va to'ldirishning ko'proq boshqariladigan usullari ishlab chiqildi, bu esa keng assortimentdagi materiallarni, shu jumladan biologik materiallarni ichiga joylashtirish imkonini beradi. Nanotubalarni ochish va to'ldirish natijasi katalizda yoki biologik sensorlarda qo'llanilishi mumkin bo'lgan ajoyib xususiyatlar bo'lishi mumkin. To'ldirilgan uglerod nanozarralari magnit yozish va yadro tibbiyoti kabi turli sohalarda ham muhim ilovalarga ega bo'lishi mumkin.

Ehtimol, nanotubalarni o'rganish bo'yicha eng katta hajm ularning elektron xususiyatlariga bag'ishlanishi kerak. Iijima kashf etilishidan oldingi nazariy ish yuqorida aytib o'tilgan. Iijimaning 1991 yildagi Tabiat maktubidan ko'p o'tmay, uglerod nanotubalarining elektron xususiyatlariga oid yana ikkita maqola paydo bo'ldi. MIT olimlari guruhi Noriaki Hamada va Iijimaning Tsukubadagi laboratoriyasidagi hamkasblari mahkam bog'langan modeldan foydalangan holda tarmoqli strukturasini hisoblashni amalga oshirdi va elektron xususiyatlar quvur tuzilishi va uning diametriga bog'liqligini ko'rsatdi. Ushbu ajoyib bashoratlar katta qiziqish uyg'otdi, ammo nanotubalarning elektron xususiyatlarini aniqlashga urinish eksperimental ravishda katta qiyinchiliklarga duch keldi. Ammo faqat 1996 yilga kelib, nazariy bashoratlarni tasdiqlashi mumkin bo'lgan individual nanotubalarda eksperimental o'lchovlar o'tkazildi. Ushbu natijalar nanotubkalar kelajakdagi nanoelektron qurilmalarning tarkibiy qismiga aylanishi mumkinligini ko'rsatdi.

Uglerod nanotubalarining mexanik xususiyatlarini aniqlash juda katta qiyinchiliklarga duch keldi, ammo tajribachilar yana bir bor qiyinchilikka duch kelishdi. Transmissiya elektron mikroskopiyasi va atom kuchi o'lchovlari shuni ko'rsatdiki, uglerod nanotubalarining mexanik xususiyatlari ularning elektron xususiyatlari kabi istisno bo'lishi mumkin. Natijada, kompozit materiallarda nanotubalardan foydalanishga qiziqish ortdi.

Endi nanotubalarning boshqa turli xil qo'llanilishi ularni qiziqtiradi. Misol uchun, bir qator olimlar nanotubalarni zond mikroskopini skanerlash uchun maslahatlar sifatida ishlatish muammosini o'rganishmoqda. Cho'zilgan shakli, uchlari uchlari va yuqori qattiqligi bilan nanotubalar bu maqsad uchun ideal bo'lishi kerak edi va bu sohadagi dastlabki tajribalar juda ta'sirli natijalarni ko'rsatdi. Bundan tashqari, nanotubalarning mavjudligi ko'rsatilgan foydali xususiyatlar tekis panelli displeylarda foydalanishga olib kelishi mumkin bo'lgan dala chiqindilari. Butun dunyoda nanotube tadqiqotlari astronomik tezlikda o'sib bormoqda va uning tijorat maqsadlarida qo'llanilishi, albatta, uzoq kutilmaydi.

Adabiyotlar ro'yxati

1. P. Xarris, Karbon nanotubalari va tegishli tuzilmalar. XXI asrning yangi materiallari - M.: texnosfera, 2003 yil.

Allbest.ru saytida joylashgan

Shunga o'xshash hujjatlar

Grafitning elektr xossalarini belgilovchi tuzilishi. Bir qavatli va ko'p qatlamli uglerod nanotubalari. Bromning grafit qatlami bilan bog'lanish energiyasi. Eksperimental texnika va o'rnatish xususiyatlari. Bromlanish jarayonining fenomenologik tavsifi.

kurs qog'ozi, 2011-09-17 qo'shilgan


Uglerod nanostrukturalarining tasnifi. Fullerenlarni hosil qilish modellari. Grafit bo'laklaridan fullerenlarni yig'ish. Suyuq klasterli kristallanish orqali uglerod nanozarrachalarini hosil qilish mexanizmi. Uglerod nanotubalarini ishlab chiqarish usullari, tuzilishi va xossalari.

muddatli ish, 2009-09-25 qo'shilgan


Sorbat va sorbent fazalari chegarasida sorbsiya jarayonlari. G'ovakli uglerod materiallarini olish usullari. Oqava suvlarni tozalashning adsorbsion usullari. Ko-termoliz jarayonlarida organik moddalar aralashmalari tarkibiy qismlarining o'zaro ta'sirining asosiy reaktsiyalari.

dissertatsiya, 21/06/2015 qo'shilgan


Quvurlarni payvandlashning asosiy tushunchalari va usullari. Gaz quvuri uchun po'latni tanlash. Quvur qirralarini payvandlash uchun tayyorlash. Payvandlash materialini tanlash. quvurlarni yig'ish talablari. Payvandchilarning malaka testlari. Qo'lda payvandlash texnologiyasi va texnikasi.

dissertatsiya, 25/01/2015 qo'shilgan


Avtomatik boshqarish nazariyasi usullarini qo'llash misoli sifatida DC dvigatelining aylanish tezligini barqarorlashtirish tizimi. Ark po'lat eritish pechining oqimini barqarorlashtirish tizimi, markazsiz silliqlash jarayonining kesish quvvati.

muddatli ish, 18.01.2013 qo'shilgan


Payvandlash ishlab chiqarish texnologiyasi. Payvandlash ishlab chiqarishining rivojlanish tarixi. Argon-arqon payvandlashning o'ziga xos xususiyatlari va uning qo'llanilishi. Argon-arqon payvandlashning qo'llanilishi, afzalliklari va kamchiliklari. Ushbu turdagi payvandlash uskunasining qiyosiy tavsiflari.

referat, 2012-05-18 qo'shilgan


Po'latning tarkibi va xossalari. Uning payvandlanishi haqida ma'lumot. Ishlab chiqarish texnologiyasi payvandlangan birikma himoya gazlarda qo'lda boshq payvandlash va sarflanadigan elektrod bilan ikkita varaqning bir-biriga yopishishi. Tanlov payvandlash uchun sarflanadigan materiallar va payvandlash yoyining quvvat manbalari.

muddatli ish, 28.05.2015 qo'shilgan


Amaldagi materiallarning payvandlash qobiliyatini aniqlash, plomba materiallari va jihozlarini tanlash. Yuqori pastki va yuqori qobiq uchun payvandlash moslamasi. Qo'lda boshq payvandlash rejimini hisoblash. Xarita texnologik jarayon payvandlash birligi A Ar-C17 GOST 14771-76 bo'yicha.

muddatli ish, 2013-02-20 qo'shilgan


Umumiy ma'lumot kompozit materiallar haqida. Xususiyatlari kompozit materiallar sibunit turi. Bir qator gözenekli uglerod materiallari. Himoya qiluvchi va radio yutuvchi materiallar. Fosfat-kaltsiyli keramika suyak to'qimasini tiklash uchun biopolimerdir.

referat, 2011-yil 13-05-da qo‘shilgan


Plastik quvurlarning turlari va xususiyatlari, ularni ulash usulini tanlash asoslari, o'rnatish tamoyillari. Plastmassani payvandlashning umumiy qoidalari va polipropilen quvurlar. Rozetkalarni payvandlash texnologiyasi. Polipropilen quvurlarni o'rnatish tamoyillari va bosqichlari.

Ixtiro titan va uning birikmalari yuqori bo'lgan er usti va er osti suvlarini sorbsion tozalash sohasiga taalluqlidir va xavfsiz ichimlik suvi olish uchun suvni tozalash uchun ishlatilishi mumkin. Titan va uning birikmalaridan er usti va er osti suvlarini tozalash usuli ifloslangan suvlarni adsorbent bilan aloqa qilishni o'z ichiga oladi, bu erda uglerod nanotubalari adsorbent sifatida ishlatiladi, ular ultratovushli vannaga joylashtiriladi va uglerod nanotubalari va tozalangan suv rejimida ishlaydi. 1-15 minut, ultratovush chastotasi 42 kHz va quvvati 50 vatt. Texnik natija uglerod nanotubalarining juda yuqori adsorbsion tezligi tufayli titan va uning birikmalaridan suvni 100% tozalashdan iborat. 4 kasal, 2 stol, 4 pr.

RF patenti uchun chizmalar 2575029

Ixtiro titan va uning birikmalari yuqori bo'lgan er usti va er osti suvlarini sorbsion tozalash sohasiga taalluqlidir va undan toza ichimlik suvi olish uchun titan va uning birikmalaridan suvni tozalashda foydalanish mumkin.

Suvni ionlardan tozalashning ma'lum usuli og'ir metallar, unga ko'ra tozalash uchun adsorbent sifatida kaltsiylangan faollashtirilgan tabiiy adsorbent ishlatiladi, u Tatariston konlarining aralash mineral tarkibidagi kremniyli jins bo'lib, tarkibida og'irlik%: opalkristobolit 51-70, zeolit ​​9-25, loydan iborat. komponent - mont morilonit, gidroslyuda 7-15, kalsit 10-25 va boshqalar. [RF Patenti 2150997, IPC B01G 20/16, B01G 20/26, nashr. 20.06.2000]. Ma'lum bo'lgan usulning nochorligi materialni faollashtirish uchun xlorid kislotasidan foydalanish bo'lib, u agressiv muhitga chidamli uskunalarni talab qiladi. Bundan tashqari, usul murakkab mineral tarkibga ega juda kam uchraydigan jinsdan foydalanadi va titan va uning birikmalarining tarkibi to'g'risida ma'lumot yo'q.

Shungit asosidagi granulali adsorbent olishning ma'lum usuli [Ed.St. SSSR No 822881, IPC B01G 20/16, nashr. 23.04.1981].

Ushbu usulning nochorligi ammiakli selitra bilan oldindan modifikatsiyalangan noyob mineral shungitni kaltsiylash orqali ishlatishdir. yuqori harorat, bu tegishli asbob-uskunalar va energiya sarfini, shuningdek, agressiv muhitda qayta ishlashni talab qiladi. Titandan suvni tozalash samaradorligi to'g'risida ma'lumotlar yo'q.

Oldindan issiqlik bilan ishlangan aluminosilikatni polisakkaridlar, xususan, xitozan bilan o'zgartirish orqali tabiiy aluminosilikatlar, ya'ni zeolit ​​asosida organomineral sorbentlarni olishning analogi sifatida qabul qilingan ma'lum usul [RF Patenti № 2184607, IPC C02F 1/52, B01J. 32, B01J 20/26, B01J 20/12, nashr. 07/10/2002]. Usul suvli eritmalarni metall ionlari va turli tabiatdagi organik bo'yoqlardan samarali tozalash uchun mos sorbentlarni olish imkonini beradi.

Ta'riflangan usul bilan olingan sorbentlarning kamchiliklari ularning yuqori disperslik darajasidir, bu sorbent qatlami orqali suvni oqim bilan tozalashga imkon bermaydi (filtr tezda tiqilib qoladi), shuningdek sorbentdan xitozan qatlamini yuvish imkoniyati. mineral asosda mahkamlashning yo'qligi va titan va uning birikmalari kabi og'ir metall birikmalaridan samarali tozalash bo'yicha ma'lumotlar yo'qligi sababli vaqt.

Suv tozalash inshootlarining filtr inshootlarining sanoat suvlarini tozalash va yo'q qilish usuli tasvirlangan [Ixtiro uchun patent RU № 2372297, IPC C02F 1/5, C02F 103/04, nashr. 2009 yil 10 noyabr].

Ixtironing mohiyati alyuminiy oksidi uchun 2:1 doza nisbatida sulfat va alyuminiy oksixloridning suvli eritmalari aralashmasi bo'lgan murakkab koagulyantdan foydalanishdan iborat.

Ushbu patentda ichimlik suvi ta'minoti uchun er osti suvlarini tozalash misollari keltirilgan.

Ta'riflangan usulning kamchiliklari - aralashmalardan tozalashning past samaradorligi, cho'kmaning 46% yuzaga, qolgan qismi esa suspenziyada edi.

Ta'minot quvurida katyonik flokulyant bilan ishlov berish orqali suvni tozalashning ma'lum usuli [RF Patenti № 2125540, IPC C02F 1/00, nashr. 27.01.1999].

Ixtiro er usti drenajlaridan suvni tozalash usullariga tegishli bo'lib, maishiy ichimlik yoki texnik suv ta'minoti sohasida qo'llanilishi mumkin.

Ixtironing mohiyati: flokulyantga qo'shimcha ravishda quvur liniyasiga flokulyantga 40:1 dan 1:1 gacha bo'lgan massa nisbatida mineral koagulyant kiritiladi.

Usul to'xtatilgan qattiq moddalarni yig'ish samaradorligini oshirishni ta'minlaydi, bu esa cho'kma suvning loyqaligini 2-3 baravar kamaytirish imkonini beradi. Ushbu usulni qo'llaganingizdan so'ng, cho'ktiruvchi tanklarga keyingi to'liq cho'ktirish kerak. Shunday qilib, tavsiflangan usulga ko'ra, metallardan 100% tozalashga erishilmadi, suvning qattiqligi 5,7 meq/l dan 3 meq/l gacha, loyqalik 8,0 mg/l gacha kamaydi.

Analogning kamchiliklari - bu metallar va organik aralashmalardan tozalashning past samaradorligi, tarkibida titan mavjud emas.

Uglerod nanotubalarining (CNTs) sorbsiya samaradorligi suv-etanol aralashmalarini tozalashning innovatsion texnologiyasining asosi sifatida tavsiflanadi [Zaporotskova N.P. va boshqalar.Vestnik VolGU, 10-seriya, №. 5, 2011, 106 bet].

Ushbu ishda bir devorli uglerod nanotubalarining tashqi yuzasida og'ir spirt molekulalarini adsorbsiyalash jarayonlarining kvant-mexanik tadqiqotlari o'tkazildi.

CNTlarning tavsiflangan sorbsion faolligining kamchiliklari faqat nazariy kvant mexanik hisoblar bo'lib, spirtli ichimliklar uchun eksperimental tadqiqotlar o'tkazildi. Metallni olib tashlash uchun hech qanday misollar yo'q.

Uglerod nanotubalarining suv-etanol aralashmalarini tozalash jarayoniga ijobiy ta'siri isbotlangan.

Hozirgi vaqtda fan va texnologiyaning ko'plab sohalarini rivojlantirishga alohida umidlar uglerod nanotubalari CNTs bilan bog'liq [Harris P. uglerod nanotubalari va tegishli tuzilmalar. XXI asrning yangi materiallari. - M.: Texnosfera, 2003. - 336 b.].

CNTlarning ajoyib xususiyati ularning noyob sorbsion xususiyatlari bilan bog'liq [Eletsky A.V. Uglerod nanostrukturalarining sorbsion xossalari. - Fizika fanlaridagi muvaffaqiyatlar. - 2004. -T. 174, No 11. - S. 1191-1231].

Spirtli ichimliklarni o'z ichiga olgan suyuqliklarni tozalash uchun uglerod nanotubalari asosidagi filtr tasvirlangan [Polikarpova N.P. va boshqalar.Vestnik VolGU, 10-seriya, №. 6, 2012, 75 bet]. Spirtli suyuqliklarni filtrlash va uzatish usullari bilan tozalash bo'yicha tajribalar o'tkazildi va eng yaxshi natijaga olib keladigan CNTlarning massa ulushi aniqlandi.

Amalga oshirilgan eksperimental tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, suv-etanol aralashmasini CNT bilan davolash fusel moylari va boshqa moddalarning tarkibini kamaytirishga yordam beradi. Ushbu analogning kamchiliklari suvni metallardan tozalash bo'yicha ma'lumotlarning yo'qligi.

Biz faollashtirilgan uglerod va CNT bilan ketma-ket sikllarda Zn (II) ning sorbsiyasi/desorbsiyasini o'rgandik. Zn(II) ning faollashtirilgan uglerod tomonidan adsorbsiyasi bir necha davrlardan so'ng keskin kamaydi, bu faollashtirilgan uglerod teshiklarining ichki yuzasidan metall ionlarining kam chiqarilishi bilan izohlanadi.

CNTlarning hidrofobik tabiati ularning suv molekulalari bilan zaif o'zaro ta'sirini keltirib chiqaradi va uning erkin oqimi uchun sharoit yaratadi.

Noy A., Park H.G., Fornasiero F., Xolt J.K., Grigoropulos C.P. va Bakajin O. Uglerod nanotubalarida nanofluidics // Nano Today. 2007, jild. 2, yo'q. 6, bet. 22-29.

KNTlarning adsorbsion qobiliyati adsorbent yuzasida funksional guruhlar mavjudligiga va adsorbatning xossalariga bog'liq.

Masalan, karboksil, lakton va fenolik guruhlarning mavjudligi qutbli moddalarning adsorbsion qobiliyatini oshiradi.

Sirtida funktsional guruhlar mavjud bo'lmagan CNTlar qutbsiz ifloslantiruvchi moddalar uchun yuqori adsorbsiya qobiliyati bilan ajralib turadi.

Membranani yaratishning bir usuli - katalizator sifatida nikeldan foydalangan holda uglerod o'z ichiga olgan bug'lardan foydalangan holda kremniy yuzasida CNTlarni etishtirishdir.

CNTlar qalinligi 10-9 m nanometr bo'lgan uglerod qatlamlaridan yasalgan somonlarga o'xshash molekulyar tuzilmalar bo'lib, aslida bu oddiy grafitning naychaga o'ralgan atom qatlami - sohadagi eng istiqbolli materiallardan biri. nanotexnologiyalar. CNTlar kengaytirilgan tuzilishga ham ega bo'lishi mumkin [WCG veb-sayti http://www.worldcommunitygrid.org/].

Sayyoramiz aholisi uchun ichimlik suvi olish uchun keng qo'llaniladigan membrana texnologiyasi.

Ikki muhim kamchilik bor - energiya sarfi va membranani ifloslanishi, bu faqat kimyoviy usullar bilan olib tashlanadi.

Uglerod nanotubalari yoki grafen asosida samarali va ifloslanishga qarshi membranalar yaratilishi mumkin [M. Majumder va boshqalar. Tabiat 438, 44 (2005)].

Texnik mohiyati va erishilgan natijasi bo'yicha da'vo qilingan ixtiroga eng yaqin bo'lgan suvni tozalash uchun sorbentlar olish usuli hisoblanadi [RF Patenti 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, nashr. 12/01/2004]. Ushbu patent prototip sifatida olingan. Bu usul sorbsion suvni tozalash sohasiga, xususan sorbentlar ishlab chiqarishga va tozalash usullariga taalluqlidir va og'ir metallar ionlari va qutbli organik moddalarning yuqori miqdori bo'lgan ichimlik yoki sanoat suvlarini tozalash uchun ishlatilishi mumkin. Usul tabiiy aluminosilikatni suyultirilgan sirka kislotasidagi xitozan eritmasi bilan aluminosilikatning xitozan eritmasiga nisbati 1:1 ga teng, pH 8-9 da ishlov berishni o'z ichiga oladi.

Jadvalda. 1 berilgan Qiyosiy xususiyatlar ixtiroga muvofiq olingan, prototip sifatida olingan sorbentlar [Patent 2277013]. Eritmalardan bo'yoqlarni sorbsiyalash va mis, temir va boshqa metall ionlarini sorbsiyalash uchun misollar keltirilgan.

Prototipning kamchiligi og'ir metallar (SOE) uchun past adsorbsiya qobiliyatidir mis Cu +2 uchun mg / l (3,4 dan 5,85 gacha), titan va uning birikmalarining adsorbsiyasi haqida ma'lumotlar yo'q. SOE, Fe +3 uchun mg / l 3,4 dan 6,9 gacha o'zgarib turadi.

Ixtironing maqsadi uglerod nanotubalari va ultratovush ta'siridan foydalangan holda er usti va er osti suvlarini titan va uning birikmalaridan tozalash usulini ishlab chiqishdan iborat bo'lib, bu yuqori sifatli toza ichimlik suvini olish, yer usti va er osti suvlarini tozalash samaradorligini oshirish imkonini beradi. CNTlarning yuqori adsorbsiya tezligi tufayli.

Muammo 1-15 daqiqa davomida 42 kHz ultratovush chastotasida 50 Vt quvvatga ega ultratovush ta'sirida CNT yordamida er usti va er osti suvlarini titan va uning birikmalaridan tozalash uchun tavsiya etilgan usul bilan hal qilinadi.

Usul quyidagi tarzda amalga oshiriladi. Adsorbent titan atomlari va uning kationlari (Ti, Ti +2, Ti +4) bilan faol ta'sir o'tkazishga qodir bo'lgan bir qatlamli uglerod nanotubalaridir.

Ti, Ti +2, Ti +4 ni olib tashlash uchun 99 g suvga 98% tozalikdagi bir gramm CNT qo'shiladi, so'ngra barcha tarkibi ultratovushli UH-3560 vannasiga joylashtiriladi va 1-15 daqiqa davomida ultratovushga ta'sir qiladi. 50 vatt quvvatga ega va ultratovush chastotasi 42 kHz.

Filtrlashdan so'ng tahlil qilish uchun olingan suv namunalari tekshiriladi. Atom emissiyasi tahlili suv namunalaridagi titan va uning birikmalarining tarkibini CNTs bilan ishlov berishdan oldin va ultratovushli vannada suv namunalarini CNTs bilan davolashdan keyin aniqlash uchun ishlatiladi.

Taklif etilayotgan “Ular ustki va er osti suvlarini uglerod nanotubalari va ultratovush yordamida titan va uning birikmalaridan tozalash usuli” quyida tavsiflanadigan misollar bilan tasdiqlangan.

Belgilangan shartlarga muvofiq usulni amalga oshirish titanium va uning birikmalari (Ti, Ti +2 , Ti +4) ning nolga teng bo'lgan mutlaqo toza suvni olish imkonini beradi.

Texnik natijaga CNT ning kapillyar sifatida ishlashi, Ti atomlari va titanium kationlari Ti +2 va Ti +4 ni so'rishi bilan erishiladi, ularning o'lchamlari CNTning ichki diametri bilan taqqoslanadi. CNTlarning diametri CNTlarni olish shartlariga qarab 4,8 Å dan 19,6 Å gacha o'zgarib turadi.

CNT bo'shliqlari turli xil kimyoviy elementlar bilan faol ravishda to'ldirilganligi eksperimental ravishda isbotlangan.

CNTlarni boshqa ma'lum materiallardan ajratib turadigan muhim xususiyat - nanotubada ichki bo'shliqning mavjudligi. Ti atomi va uning Ti+2, Ti+4 kationlari tashqi bosim taʼsirida yoki kapillyar taʼsir natijasida KNT ga kirib boradi va sorbsiya kuchlari taʼsirida u yerda saqlanadi [Dyachkov P.N. Uglerod nanotubalari: tuzilishi, xossalari, qo'llanilishi. - M .: Binom. Bilimlar laboratoriyasi, 2006. - 293 b.].

Bu nanotubalar orqali selektiv adsorbsiya qilish imkoniyatini beradi. Bundan tashqari, CNT ning yuqori egri yuzasi uning yuzasida juda murakkab atomlar va molekulalarni, xususan, Ti, Ti +2, Ti +4 ni adsorbsiyalash imkonini beradi.

Shu bilan birga, nanotubalarning samaradorligi eng keng tarqalgan tozalash vositalari bo'lgan grafit adsorbentlarining faolligidan o'nlab marta yuqori. CNTlar tashqi yuzada ham, ichki yuzada ham aralashmalarni adsorbsiyalashi mumkin, bu esa selektiv adsorbsiyani amalga oshirishga imkon beradi.

Shuning uchun CNTs turli suyuqliklarni ultra past konsentratsiyali aralashmalardan yakuniy tozalash uchun ishlatilishi mumkin.

CNTlar CNT materialining jozibali yuqori o'ziga xos sirt maydoniga ega bo'lib, 600 m2 / g va undan yuqori qiymatlarga etadi.

Eng yaxshi zamonaviy sorbentlarning o'ziga xos yuzasidan bir necha barobar yuqori bo'lgan bunday yuqori o'ziga xos sirt ularni og'ir metallardan, xususan, Ti, Ti +2, Ti +4 dan er usti va er osti suvlarini tozalash uchun foydalanish imkoniyatini ochadi.

CNT sintezi. CVDomna uglerod nanotube sintez bloki yordamida CNT uglerod nanomateriali olindi, u yer usti va er osti suvlarini titan va uning birikmalaridan tozalash uchun ishlatilgan.

Titan va uning birikmalaridan suvni tozalash uchun eksperimental tadqiqotlar o'tkazildi.

CNTlarning optimal miqdorini aniqlash uchun titanium va uning birikmalarining tarkibini juda past miqdorga etkazish kerak. CNTlarning bunday konsentratsiyasi topildi va keyingi tajribalarda optimal konsentratsiya tahlil qilingan suvning 1 litriga 0,01 g miqdorida qo'llanildi.

Atom emissiyasi tahlili oʻrganilayotgan suv namunalarida atom Ti va uning kationlari (Ti+2, Ti+4) mavjudligini koʻrsatdi, shundan xulosa qilishimiz mumkinki, bu titanium va Ti+2, Ti+4 kationlari uglerod nanotubalari bilan oʻzaro taʼsir qiladi. . Ti atomining radiusi 147 pm; titan kationlari uglerod nanonaychaning boʻshligʻiga qoʻshilib, ichida adsorbsiyalanishi mumkin (1-rasm) yoki uning tashqi yuzasida adsorbsiyalanadi, shuningdek, olti burchakli uglerod atomlari bilan koʻprik strukturasini hosil qiladi (2-rasm), bogʻlangan molekulyar tuzilmalarni hosil qiladi.

Ti va uning kationlarining CNT bo'shlig'iga qo'shilishi Ti ni nanotubkaga uning asosiy uzunlamasına o'qi bo'ylab bosqichma-bosqich yaqinlashishi va titan atomlari va uning kationlarining nanotubka bo'shlig'iga kirib borishi va ularning ichki yuzasida keyingi adsorbsiyasi orqali mumkin. CNT ning. Ti adsorbsiyasining yana bir versiyasi ham ma'lum bo'lib, unga ko'ra bitta titan atomi ikkita oddiy holatda uglerod nanonaychalarining tashqi tomonida uglerod atomlari bilan barqaror Ti-C aloqalarini yaratishi mumkin, bunda Ti barchaning 1/4 va 1/2 qismida bo'ladi. olti burchakli (3-rasm) .

Ya'ni, titan va uning kationlarining CNT yuzasiga adsorbsiyasi nafaqat nazariy jihatdan tasdiqlangan, balki tadqiqotlarda eksperimental tarzda isbotlangan.

Da'vo qilingan sorbent - bu titan va uning kationlari bilan faol o'zaro ta'sir qilish qobiliyatiga ega, barqaror bog'lanishlar hosil qilish va titan atomlari va uning birikmalarini hosil bo'lishi bilan CNTlarning ichki va tashqi yuzalarida adsorbsiyalash qobiliyatiga ega bo'lgan bir devorli uglerod nanotubalarining konglomerati. ikkita Ti-C aloqasi bo'lgan ko'prik konstruktsiyalarining, agar Ti +2 yoki Ti +4 uchun to'rtta bo'lsa. Titan va uning birikmalari bilan ifloslangan suvni tozalashda CNTlardan foydalaniladi, titan Van-der-Vaals kuchlari ta’sirida CNT sirtlarida adsorbsiyalanadi, ya’ni titan va uning birikmalari erkin atomlardan va Ti+2 va Ti+4 kationlari bog‘lanadi. molekulyar aloqada (4-rasm).

Ixtironi amalga oshirish imkoniyati quyidagi misollar bilan ko'rsatilgan.

Misol 1. 40 m chuqurlikdagi 1) quduqdan er osti suvlari sifatli elementar tarkibini o'rganish, shuningdek, titan va uning birikmalarini CNT bilan tozalashdan oldin va CNT adsorbsiyasidan keyin miqdoriy tahlil qilish uchun olingan; va sonikatsiya. Ultratovushning ta'sir qilish vaqti 15 minut. Tozalashdan keyin Ti va uning birikmalarining miqdori 0% ni tashkil qiladi (2-jadval).

Misol 2. Quduqdan er osti suvlari 2) 41 m chuqurlikda, 1-quduqdan farqli o'laroq, bu suv Bereslav suv omborining (Volgograd) 1-quduqdan 200 m masofada joylashgan edi. Ultratovushning ta'sir qilish vaqti 15 minut. ixtiroga ko'ra 0% tozalash so'ng Ti va uning birikmalari tarkibi (jadval. 2).

Misol 3. Suv jo'mrakidan (Sovetskiy tumani, Volgograd) olingan suv CNT yordamida tozalandi va 15 daqiqa davomida ultratovush ta'sirida, 50 Vt quvvatga ega va ultratovushning ish chastotasi 42 kHz (2-jadval).

Misol 4. Har bir narsa 1-misol bilan bir xil, ammo ultratovushga ta'sir qilish vaqti 1 minut.

Misol 5. 1) 40 m chuqurlikdagi quduqdan er osti suvlari titan va uning birikmalari tarkibini tahlil qilish uchun olindi va keyinchalik prototipga muvofiq tozalandi [Patent RU 2277013].

Ultratovushga ta'sir qilish vaqti 15 minut (tajriba 1, 2, 3, 5). Ultratovushga ta'sir qilish vaqti 1 minut (tajriba 4).

CNTlarga asoslangan da'vo qilingan usulning afzalliklari juda ko'p yuqori daraja titan va uning birikmalarining adsorbsiyasi. Tajriba natijalariga ko'ra, optimal sharoitlarda o'rganilayotgan suvlarning titan va uning birikmalaridan 100% tozalanishi ta'minlangan.

TALAB

Uglerod nanotubalari (CNTs) va ultratovush yordamida er usti va er osti suvlarini titan va uning birikmalaridan tozalash usuli, shu jumladan og'ir metallarni ushlab turish uchun ifloslangan suvlarni adsorbentlar bilan aloqa qilish, uning xususiyati shundaki, uglerod nanotubalari adsorbent sifatida ishlatiladi. ultratovushli hammom , CNT va tozalangan suvda 1-15 daqiqa rejimida, 42 kHz ultratovush chastotasi va 50 Vt quvvatga ega.

Uglerod nanotubalari - ertaga innovatsion texnologiyalar. Nanotubulenlarni ishlab chiqarish va joriy etish tovarlar va mahsulotlar sifatini yaxshilaydi, ularning og'irligini sezilarli darajada kamaytiradi va mustahkamligini oshiradi, shuningdek, ularga yangi xususiyatlar beradi.

Uglerod nanotubalari yoki quvurli nanostruktura (nanotubulen) laboratoriyada sun'iy ravishda yaratilgan, uglerod atomlaridan olingan va ajoyib mexanik, elektr va fizik xususiyatlarga ega bo'lgan bir yoki ko'p devorli ichi bo'sh silindrsimon tuzilmalardir.

Uglerod nanotubalari uglerod atomlaridan yasalgan va quvurlar yoki silindrlarga o'xshash shaklga ega. Ular juda kichik (nanometrda), diametri birdan bir necha o'nlab nanometrgacha va uzunligi bir necha santimetrgacha. Uglerod nanotubalari grafitdan tashkil topgan, lekin grafitga xos bo'lmagan boshqa xususiyatlarga ega. Ular tabiatda mavjud emas. Ularning kelib chiqishi sun'iydir. Nanotubalarning tanasi sintetik bo'lib, odamlar tomonidan boshidan oxirigacha mustaqil ravishda yaratilgan.

Agar siz million marta kattalashtirilgan nanonaychaga qarasangiz, cho'qqilarida uglerod atomlari joylashgan teng qirrali oltiburchaklardan iborat cho'zilgan silindrni ko'rishingiz mumkin. Bu quvurga o'ralgan grafit tekisligi. Nanotubaning xiralligi uning jismoniy xususiyatlari va xususiyatlarini aniqlaydi.

Million marta kattalashtirilgan nanotuba cho'qqilarida uglerod atomlari bo'lgan teng qirrali oltiburchaklardan iborat cho'zilgan silindrdir. Bu quvurga o'ralgan grafit tekisligi.

Xirallik - molekulaning kosmosda ko'zgu tasviri bilan mos kelmaslik xususiyati.

Aniqroq aytganda, chirallik, masalan, qog'oz varag'ini teng ravishda katlasangiz. Agar oblique bo'lsa, bu allaqachon axirallikdir. Nanotublenlar bir qavatli va ko'p qatlamli tuzilishga ega bo'lishi mumkin. Ko'p qatlamli struktura birma-bir "kiyingan" bir nechta bir qavatli nanotubalardan boshqa narsa emas.

Kashfiyot tarixi

Nanotubalarning aniq kashf etilgan sanasi va ularning kashfiyotchisi noma'lum. Ushbu mavzu munozaralar va mulohaza yuritish uchun ozuqa hisoblanadi, chunki turli mamlakatlar olimlari tomonidan ushbu tuzilmalarning ko'plab parallel tavsiflari mavjud. Kashfiyotchini aniqlashdagi asosiy qiyinchilik shundan iboratki, nanonaychalar va nanotolalar olimlarning nuqtai nazariga tushib, uzoq vaqt davomida ularning diqqatini jalb qilmagan va sinchkovlik bilan o'rganilmagan. Mavjud ilmiy ishlar uglerodli materiallardan nanonaychalar va tolalar yaratish imkoniyatiga o'tgan asrning ikkinchi yarmida nazariy jihatdan ruxsat berilganligini isbotlaydi.

Mikronli uglerod birikmalarining uzoq vaqt davomida jiddiy tadqiqotlari olib borilmayotganining asosiy sababi shundaki, oʻsha davrda olimlar tadqiqot uchun yetarli darajada kuchli ilmiy bazaga ega emas edi, yaʼni tadqiqot obʼyektini kattalashtirishga qodir boʻlgan asbob-uskunalar yoʻq edi. zarur darajada va shaffof ularning tuzilishi.

Agar nanouglerod birikmalarini o'rganishdagi voqealarni xronologik tartibda joylashtirsak, unda birinchi dalil 1952 yilda sovet olimlari Radushkevich va Lukyanovich uglerod oksidi (ruscha nomi - oksid) ning termal parchalanishi paytida hosil bo'lgan nanotolali tuzilishga e'tibor qaratganlarida to'g'ri keladi. ). Elektron mikroskop uskunasi yordamida kuzatilgan strukturada diametri taxminan 100 nm bo'lgan tolalar mavjud edi. Afsuski, ishlar g'ayrioddiy nanostrukturani tuzatishdan nariga o'tmadi va boshqa hech qanday tadqiqot o'tkazilmadi.

25 yillik unutishdan so'ng, 1974 yildan boshlab, ugleroddan yasalgan mikron quvurli tuzilmalar mavjudligi haqidagi ma'lumotlar gazetalarga tusha boshladi. Shunday qilib, bir guruh yapon olimlari (T.Koyama, M. Endo, A. Oberlin) 1974-1975 yillardagi tadqiqotlar davomida. keng jamoatchilikka o'zlarining bir qator tadqiqotlari natijalarini taqdim etdilar, ularda diametri 100 Å dan kam bo'lgan, kondensatsiya paytida bug'lardan olingan nozik quvurlar tavsifi mavjud. Shuningdek, uglerod xususiyatlarini o'rganishda olingan tuzilishi va hosil bo'lish mexanizmining tavsifi bilan ichi bo'sh strukturalarning shakllanishi SSSR Fanlar akademiyasining Sibir filiali Kataliz institutining sovet olimlari tomonidan 1977 yilda tasvirlangan.

Å (Agström) - masofalarni o'lchash birligi, 10−10 m ga teng.SI tizimida angstromga yaqin qiymat birligi nanometrdir (1 nm = 10 Å).

Fullerenlar to'p yoki regbi to'piga o'xshash ichi bo'sh, sharsimon molekulalardir.

Fullerenlar ingliz kimyogari va astrofiziki Garold Kroto tomonidan kashf etilgan uglerodning to'rtinchi, ilgari noma'lum modifikatsiyasidir.

Va nanotubkalarning uglerod tuzilishini batafsil o'rganish va porlash imkonini beruvchi ilmiy tadqiqotlarida so'nggi jihozlardan foydalangandan keyingina, yapon olimi Sumio Iijima 1991 yilda birinchi jiddiy tadqiqotni o'tkazdi, buning natijasida uglerod nanotubalari eksperimental ravishda yaratildi. olingan va batafsil o'rganilgan. .

Professor Ijima o'z tadqiqotida prototipni olish uchun purkalgan grafitni elektr yoyi zaryadiga ta'sir qildi. Prototip ehtiyotkorlik bilan o'lchandi. Uning o'lchamlari shuni ko'rsatdiki, filamentlarning diametri (tana go'shti) bir necha nanometrdan oshmaydi, uzunligi bir dan bir necha mikrongacha. Uglerodli nanonaychaning tuzilishini o‘rganar ekan, olimlar o‘rganilayotgan ob’ekt olti burchakli grafitli olti burchakli to‘rdan tashkil topgan bir qatlamdan bir necha qatlamgacha bo‘lishi mumkinligini aniqladi. Bunday holda, nanotubalarning uchlari strukturaviy jihatdan ikkiga bo'lingan fulleren molekulasining yarmiga o'xshaydi.

Yuqoridagi tadqiqotlar vaqtida o'z sohalarida Jons, L.A. kabi taniqli olimlarning ishlari allaqachon mavjud edi. Chernozatonskiy, M.Yu. Kornilov, uglerodning ushbu allotropik shaklini hosil qilish imkoniyatini bashorat qilib, uning tuzilishini, fizik, kimyoviy va boshqa xususiyatlarini tavsiflaydi.

Nanotubaning ko'p qatlamli tuzilishi rus qo'g'irchoqlari printsipiga ko'ra birma-bir "kiyingan" bir nechta bir qatlamli nanotubalardan boshqa narsa emas.

Elektrofizik xususiyatlar

Uglerod nanotubalarining elektrofizik xususiyatlari butun dunyodagi ilmiy jamoalar tomonidan eng yaqin tekshiruv ostida. Nanotubalarni ma'lum geometrik nisbatlarda loyihalash orqali ularga o'tkazuvchanlik yoki yarim o'tkazgich xossalarini berish mumkin. Masalan, olmos va grafit ikkalasi ham ugleroddir, lekin molekulyar tuzilishdagi farqlar tufayli ular turli xil va ba'zi hollarda qarama-qarshi xususiyatlarga ega. Bunday nanotubalar metall yoki yarimo'tkazgich deb ataladi.

Mutlaq nol haroratlarda ham elektr tokini o'tkazadigan nanotubalar metalldir. Haroratning oshishi bilan ortib boruvchi mutlaq nolda elektr tokining nol o'tkazuvchanligi yarimo'tkazgich nanostrukturasining o'ziga xos belgisini ko'rsatadi.

Asosiy tasnif grafit tekisligini katlama usuli bo'yicha taqsimlanadi. Katlama usuli ikkita raqam bilan ko'rsatilgan: "m" va "n" grafit panjarasining vektorlari bo'ylab katlama yo'nalishini belgilaydi. Nanotubalarning xususiyatlari grafit tekisligining katlama geometriyasiga bog'liq, masalan, burilish burchagi ularning elektrofizik xususiyatlariga bevosita ta'sir qiladi.

Parametrlarga (n, m) qarab nanotubalar quyidagilar bo'lishi mumkin: to'g'ridan-to'g'ri (axiral), qirrali ("kreslo"), zigzag va spiral (chiral). Elektr o'tkazuvchanligini hisoblash va rejalashtirish uchun parametrlar nisbati formulasi qo'llaniladi: (n-m) / 3.

Hisoblashda olingan butun son metall turdagi nanotubaning o'tkazuvchanligini, kasr soni esa yarimo'tkazgich turini ko'rsatadi. Misol uchun, "stul" turidagi barcha quvurlar metalldir. Metall turdagi uglerod nanotubalari elektr tokini mutlaq nolga teng darajada o'tkazadi. Yarimo'tkazgich tipidagi nanotubulalar mutlaq nolda nol o'tkazuvchanlikka ega, bu harorat oshishi bilan ortadi.

Metall turdagi o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan nanotubalar kvadrat santimetr uchun taxminan milliard amperni o'tkazishi mumkin. Eng yaxshi metall o'tkazgichlardan biri bo'lgan mis, bu ko'rsatkichlar bo'yicha nanotubalardan ming martadan ko'proq past. O'tkazuvchanlik chegarasi oshib ketganda, materialning erishi va molekulyar panjaraning yo'q qilinishi bilan birga bo'lgan issiqlik paydo bo'ladi. Nanotubilenlar bilan teng sharoitlarda bu sodir bo'lmaydi. Bu ularning juda yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi bilan bog'liq, bu olmosnikidan ikki baravar yuqori.

Quvvat jihatidan nanotubulen boshqa materiallarni ham ortda qoldiradi. Bu po'latning eng kuchli qotishmalaridan 5-10 baravar kuchli (Yang moduli bo'yicha 1,28-1,8 TPa) va elastikligi kauchukdan 100 ming marta yuqori. Agar biz kuchlanish ko'rsatkichlarini solishtirsak, ular yuqori sifatli po'latning o'xshash kuch xususiyatlaridan 20-22 baravar oshadi!

BMTga qanday kirish mumkin

Nanotubalar yuqori haroratli va past haroratli usullar bilan olinadi.

Yuqori haroratli usullarga lazer ablasyonu, quyosh texnologiyasi yoki elektr yoyi zaryadsizlanishi kiradi. Past haroratli usul katalitik uglevodorod parchalanishi, uglerod oksididan gaz fazasi katalitik o'sishi, elektroliz yo'li bilan ishlab chiqarish, polimer issiqlik bilan ishlov berish, mahalliy past haroratli piroliz yoki mahalliy kataliz yordamida kimyoviy bug'larni cho'ktirishni o'z ichiga oladi. Barcha usullarni tushunish qiyin, yuqori texnologiyali va juda qimmat. Nanotubalarni ishlab chiqarishni faqat kuchli ilmiy bazaga ega yirik korxonagina qoplay oladi.

Soddalashtirilgan holda, yoy usulida ugleroddan nanotubalarni olish jarayoni quyidagicha:

Gaz holatidagi plazma ma'lum bir haroratgacha qizdirilgan reaktorga in'ektsiya apparati orqali yopiq kontur bilan kiritiladi. Reaktorda yuqori va pastki qismlarda magnit sariqlar o'rnatiladi, ulardan biri anod, ikkinchisi esa katoddir. Magnit bobinlar doimiy elektr toki bilan ta'minlanadi. Reaktordagi plazmaga elektr yoyi ta'sir qiladi, u ham magnit maydon bilan aylanadi. Uglerod o'z ichiga olgan materialdan (grafit) tashkil topgan anod yuzasidan yuqori haroratli elektroplazma yoyi ta'sirida uglerod bug'lanadi yoki "chiqib ketadi" va katodda joylashgan uglerod nanonaychalari shaklida kondensatsiyalanadi. cho'kma. Uglerod atomlari katodda kondensatsiyalana olishi uchun reaktordagi harorat tushiriladi. Hatto qisqa Tasvir Ushbu texnologiya nanotubulenlarni olishning butun murakkabligi va narxini baholash imkonini beradi. Ishlab chiqarish va qo'llash jarayoni ko'pchilik korxonalar uchun mavjud bo'lgunga qadar uzoq vaqt kerak bo'ladi.

Fotogalereya: Ugleroddan nanotubalar olish sxemasi va jihozlari

Yagona devorli uglerod nanotubalarini elektr yoyi usuli bilan sintez qilish uchun o'rnatish Quvurli nanostrukturani olish uchun kichik quvvatli ilmiy o'rnatish
Past haroratli ishlab chiqarish usuli

Uzoq karbonli nanotubalarni ishlab chiqarish uchun o'rnatish

Ular zaharlimi?

Albatta ha.

Jarayonda laboratoriya tadqiqoti olimlar uglerod nanotubalari tirik organizmlarga salbiy ta'sir ko'rsatadi degan xulosaga kelishdi. Bu, o'z navbatida, nanotubalarning zaharliligini tasdiqlaydi va olimlar uchun bu muhim masalaga shubha qilish kamroq va kamroq kerak.

Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, uglerod nanotubalarining tirik hujayralar bilan bevosita o'zaro ta'siri ularning o'limiga olib keladi. Ayniqsa, bir devorli nanotubalar kuchli mikroblarga qarshi faollikka ega. Olimlar E-Coli bakteriyalari (E. coli) qirolligining umumiy madaniyatida tajriba o'tkaza boshladilar. Tadqiqot jarayonida diametri 0,75 dan 1,2 nanometrgacha bo‘lgan bir qavatli nanotubalardan foydalanilgan. Tajribalar ko'rsatganidek, uglerod nanonaychalarining tirik hujayraga ta'siri natijasida hujayra devorlari (membranalar) mexanik shikastlanadi.

Boshqa usullar bilan olingan nanotubalarda ko'p miqdorda metallar va boshqa zaharli aralashmalar mavjud. Ko'pgina olimlar uglerod nanotubalarining toksikligi ularning morfologiyasiga bog'liq emas, balki ular tarkibidagi aralashmalar (nanotubalar) bilan bevosita bog'liq deb hisoblashadi. Biroq, Yel olimlari tomonidan nanotube tadqiqotlari sohasida olib borilgan ishlar ko'plab jamoalarning noto'g'ri ko'rinishini ko'rsatdi. Shunday qilib, Escherichia coli (E-Coli) bakteriyalari tadqiqot jarayonida bir soat davomida bir devorli uglerod nanotubalari bilan ishlov berishdan o'tkazildi. Natijada, E-Coli ning aksariyati nobud bo'ldi. Nanomateryallar sohasidagi ushbu tadqiqotlar ularning toksikligi va tirik organizmlarga salbiy ta'sirini tasdiqladi.

Olimlar bitta devorli nanotubalar eng xavfli degan xulosaga kelishdi, bu uglerod nanonaychalari uzunligining diametriga mutanosib nisbati bilan bog‘liq.

Uglerod nanotubalarining inson tanasiga ta'siri bo'yicha turli tadqiqotlar olimlarni asbest tolalarining tanaga kirishi kabi ta'sir bir xil degan xulosaga keldi. Asbest tolalarining salbiy ta'sir darajasi bevosita ularning hajmiga bog'liq: qanchalik kichik bo'lsa, salbiy ta'sir kuchliroq bo'ladi. Va uglerod nanotubalari holatida ularning tanaga salbiy ta'siri haqida hech qanday shubha yo'q. Havo bilan tanaga kirib, nanotubka ko'krak qafasidagi plevra orqali joylashadi va shu bilan jiddiy asoratlarni, xususan, saraton o'smalarini keltirib chiqaradi. Agar nanotubulenlarning organizmga kirib borishi oziq-ovqat orqali sodir bo'lsa, ular oshqozon va ichak devorlariga joylashib, turli kasalliklar va asoratlarni keltirib chiqaradi.

Ayni paytda olimlar nanomateriallarning biologik mosligi va uglerod nanotubalarini xavfsiz ishlab chiqarish bo‘yicha yangi texnologiyalarni izlash bo‘yicha tadqiqotlar olib bormoqda.

istiqbollari

Uglerod nanotubalari keng doiradagi ilovalarni egallaydi. Buning sababi, ular skelet shaklida molekulyar tuzilishga ega bo'lib, ular olmos yoki grafitdan farq qiladigan xususiyatlarga ega bo'lish imkonini beradi. Aynan ularning o'ziga xos xususiyatlari (kuch, o'tkazuvchanlik, egilish) tufayli uglerod nanonaychalari boshqa materiallarga qaraganda tez-tez ishlatiladi.

Ushbu uglerod ixtirosi elektronika, optika, mashinasozlik va boshqalarda qo'llaniladi. Uglerod nanotubalari molekulyar birikmalarning mustahkamligini oshirish uchun turli polimerlar va kompozitlarga qo'shimchalar sifatida ishlatiladi. Axir, hamma biladiki, uglerod birikmalarining molekulyar panjarasi, ayniqsa, uning sof shaklida ajoyib kuchga ega.

Uglerod nanotubalari elektromagnit to'lqinlarni yutuvchi sifatida akkumulyatorlar ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan kondansatörler va har xil turdagi datchiklar, anodlarni ishlab chiqarishda ham qo'llaniladi. Ushbu uglerod birikmasi telekommunikatsiya tarmoqlari va suyuq kristall displeylarni ishlab chiqarish sohasida keng qo'llanilishini topdi. Shuningdek, nanotubalar yorug'lik moslamalarini ishlab chiqarishda katalitik xususiyatlarni kuchaytiruvchi sifatida ishlatiladi.

Tijorat ilovasi

Bozor	Ilova	Uglerod nanotubalari asosidagi kompozitsiyalarning xossalari
Avtomobillar	Yoqilg'i tizimining qismlari va yonilg'i liniyalari (ulagichlar, nasos qismlari, o-ringlar, quvurlar), elektr bo'yash uchun tashqi korpus qismlari (bamperlar, oyna korpuslari, yonilg'i bakining qopqoqlari)	Uglerod qora bilan solishtirganda xususiyatlarning yaxshilangan muvozanati, katta qismlar uchun qayta ishlanishi, deformatsiyaga chidamliligi
Elektronika	Texnologik asboblar va uskunalar, gofret kasetlari, konveyer lentalari, orqa panellar, toza xona jihozlari	Aralashmalarning uglerod tolalari bilan solishtirganda yaxshilangan tozaligi, sirt qarshiligini nazorat qilish, yupqa qismlarni quyish uchun ishlov berish qobiliyati, deformatsiyaga chidamlilik, xususiyatlar muvozanati, uglerod tolalari bilan solishtirganda plastik aralashmalarning muqobil imkoniyatlari

Uglerod nanotubalari foydalanish uchun ma'lum doiralar bilan cheklanmaydi turli sanoat tarmoqlari sanoat. Material nisbatan yaqinda ixtiro qilingan va shu munosabat bilan u hozirgi kunda dunyoning ko'plab mamlakatlarida ilmiy ishlanmalar va tadqiqotlarda keng qo'llaniladi. Bu uglerod nanotubalarining xossalari va xususiyatlarini batafsilroq o'rganish, shuningdek, materialni keng miqyosda ishlab chiqarishni yo'lga qo'yish uchun zarur, chunki u hozirda bozorda ancha zaif pozitsiyani egallaydi.

Uglerod nanotubalari mikroprotsessorlarni sovutish uchun ishlatiladi.

Yaxshi o'tkazuvchanlik xususiyatlari tufayli uglerod nanotubalarini mashinasozlikda qo'llash keng doirani egallaydi. Ushbu material massiv o'lchamdagi agregatlarni sovutish uchun asboblar sifatida ishlatiladi. Bu, birinchi navbatda, uglerod nanotubalarining yuqori o'ziga xos issiqlik o'tkazuvchanligiga ega ekanligi bilan bog'liq.

Kompyuter texnikasini rivojlantirishda nanotubalardan foydalanish elektronika sanoatida muhim o‘rin tutadi. Ushbu materialdan foydalanish tufayli juda tekis displeylar ishlab chiqarish uchun ishlab chiqarish yo'lga qo'yildi. Bu ixcham o'lchamdagi kompyuter texnikasini ishlab chiqarishga yordam beradi, lekin shu bilan birga, elektron hisoblash mashinalarining texnik xususiyatlari yo'qolmaydi, balki oshadi. Kompyuter texnikasi va elektronika sanoatini rivojlantirishda uglerodli nanotubalardan foydalanish ko'p marta ustun bo'lgan uskunalar ishlab chiqarishga erishish imkonini beradi. texnik xususiyatlar hozirgi hamkasblar. Ushbu tadqiqotlar asosida allaqachon yuqori kuchlanishli kineskoplar yaratilmoqda.

Birinchi uglerod nanotube protsessor

Foydalanish muammolari

Nanotubalardan foydalanish bilan bog'liq muammolardan biri tirik organizmlarga salbiy ta'sir ko'rsatadi, bu esa ushbu materialdan tibbiyotda foydalanishni shubha ostiga qo'yadi. Ba'zi ekspertlar uglerod nanotubalarini ommaviy ishlab chiqarish jarayonida baholanmagan xavflar bo'lishi mumkinligini ta'kidlamoqda. Ya'ni, nanonaychalar ko'lamini kengaytirish natijasida ularni keng miqyosda ishlab chiqarishga ehtiyoj paydo bo'ladi va shunga mos ravishda atrof-muhit uchun xavf tug'iladi.

Olimlar ushbu muammoni hal qilish yo‘llarini uglerod nanotubalarini ishlab chiqarishning yanada ekologik toza usullari va usullarini qo‘llashda izlashni taklif qilmoqdalar. Shuningdek, ushbu materialni ishlab chiqaruvchilarga CVD jarayonining oqibatlarini "tozalash" masalasiga jiddiy yondashishlari taklif qilindi, bu esa o'z navbatida mahsulot tannarxining oshishiga ta'sir qilishi mumkin.

Nanotubalarning hujayralarga salbiy ta'siri fotosurati a) nanotubkalar ta'siridan oldin Escherichia coli hujayralari; b) nanotubalar ta'siridan keyin hujayralar

Zamonaviy dunyoda uglerod nanotubalari innovatsion texnologiyalarni rivojlantirishga katta hissa qo'shmoqda. Mutaxassislar yaqin yillarda nanotubalar ishlab chiqarishni ko'paytirish va ushbu mahsulotlar narxining pasayishi prognozlarini berishmoqda. Bu, o‘z navbatida, nanonaychalar ko‘lamini kengaytiradi va bozorda iste’molchi talabini oshiradi.

RU 2430879 patent egalari:

Ixtiro nanotexnologiyaga tegishli bo'lib, kompozit materiallarning tarkibiy qismi sifatida ishlatilishi mumkin. Ko'p qatlamli uglerod nanotubalari Fe, Co, Ni, Mo, Mn va ularning birikmalarini faol komponentlar sifatida, shuningdek, tashuvchi sifatida Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 ni o'z ichiga olgan katalizatorlar yordamida uglevodorodlarni piroliz qilish yo'li bilan olinadi. Olingan nanotubalar xlorid kislota eritmasida qaynatish orqali tozalanadi, keyin suv bilan yuviladi. Kislota bilan ishlov berishdan so'ng, isitish harorat gradienti bo'lgan pechda yuqori toza argon oqimida amalga oshiriladi. Pechning ish zonasida harorat 2200-2800 ° S ni tashkil qiladi. Pechning chetlarida harorat 900-1000 ° S ni tashkil qiladi. TA'SIR: ixtiro metall aralashmalari 1 ppm dan kam bo'lgan ko'p qatlamli nanotubalarni olish imkonini beradi. 3 w.p. f-ly, 9 kasal, 3 tab.

Ixtiro turli maqsadlar uchun kompozit materiallarning tarkibiy qismlari sifatida ishlatilishi mumkin bo'lgan metall aralashmalari miqdori 1 ppm dan kam bo'lgan yuqori toza ko'p qatlamli uglerod nanotubalarini (MWNTs) ishlab chiqarish bilan bog'liq.

MWCNTlarni ommaviy ishlab chiqarish uchun temir kichik guruhidagi metallarga asoslangan metall katalizatorlar ishtirokida uglevodorodlar yoki uglerod oksidi piroliziga asoslangan usullar qo'llaniladi [TWEbbesen // Karbon nanotubalari: Tayyorlanishi va xususiyatlari, CRC Press, 1997, p.139- 161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // Uglerodli nanotube materiallarining sintezi va tavsifi (sharh) // Kimyoviy texnologiya va metallurgiya universiteti jurnali, 2006 yil, № 4, v.41, p.377-390 ; J. V. Seo; A. Magrez; M. Milas; K.Li, V Lukovac, L.Forro // Katalitik o'stirilgan uglerod nanotubalari: sintezdan toksiklikka // Fizika D jurnali (Amaliy fizika), 2007, v.40, n.6]. Shu sababli, ularning yordami bilan olingan MWCNTlar ishlatiladigan katalizatorlar metallarining aralashmalarini o'z ichiga oladi. Shu bilan birga, bir qator ilovalar uchun, masalan, elektrokimyoviy qurilmalarni yaratish va turli maqsadlar uchun kompozit materiallarni olish uchun metall aralashmalari bo'lmagan yuqori tozalikdagi MWCNTlar talab qilinadi. Yuqori tozalikdagi MWCNTlar, birinchi navbatda, yuqori haroratli ishlov berishga duchor bo'lgan kompozit materiallarni tayyorlash uchun zarurdir. Buning sababi shundaki, noorganik qo'shimchalar mahalliy grafitizatsiya uchun katalizator bo'lishi mumkin va buning natijasida uglerod tuzilishida yangi nuqsonlar paydo bo'lishini boshlaydi [AS Fialkov // Uglerod, qatlamlararo birikmalar va unga asoslangan kompozitlar, Aspect Press, Moskva. , 1997, 588 -602-betlar]. Metall zarrachalarining katalitik ta'sir mexanizmi metall atomlarining uglerod matritsasi bilan metall-uglerod zarralari hosil bo'lishi bilan o'zaro ta'siriga asoslanadi, so'ngra kompozitsiyaning tuzilishini buzishi mumkin bo'lgan yangi grafitga o'xshash shakllanishlar paydo bo'ladi. Shu sababli, hatto kichik metall aralashmalari ham kompozit materialning bir xilligi va morfologiyasining buzilishiga olib kelishi mumkin.

Katalitik uglerod nanotubalarini aralashmalardan tozalashning eng keng tarqalgan usullari ularni qizdirilganda turli konsentratsiyali kislotalar aralashmasi bilan, shuningdek, mikroto'lqinli nurlanish ta'siri bilan davolashga asoslangan. Biroq, bu usullarning asosiy kamchiliklari kuchli kislotalar ta'sirida uglerod nanotubalarining devorlarini yo'q qilish, shuningdek, ularning yuzasida juda ko'p miqdordagi kiruvchi kislorod o'z ichiga olgan funktsional guruhlarning paydo bo'lishidir, bu esa buni qiyinlashtiradi. kislota bilan ishlov berish uchun sharoit tanlash. Bu holda, olingan MWCNTlarning tozaligi 96-98 og'irlik% ni tashkil qiladi, chunki katalizatorning metall zarralari uglerod nanonaychaning ichki bo'shlig'iga o'ralgan bo'lib, reagentlarga etib bo'lmaydi.

MWCNTlarning tozaligini oshirishga ularni uglerod nanotubalarining tuzilishi va morfologiyasini saqlab qolgan holda 1500 ° C dan yuqori haroratlarda isitish orqali erishish mumkin. Ushbu usullar nafaqat MWCNTlarni metall aralashmalaridan tozalashga imkon beradi, balki kichik nuqsonlarni yumshatish, Young modulini oshirish, grafit qatlamlari orasidagi masofani kamaytirish va uglerod nanotubalarining tuzilishini tartibga solishga yordam beradi. sirt kislorodini olib tashlash, bu esa yanada sifatli kompozit materiallarni olish uchun zarur bo'lgan polimer matritsasida uglerod nanotubalarining yanada bir xil tarqalishini ta'minlaydi. Taxminan 3000 ° S haroratda kalsinatsiya uglerod nanotubalari tuzilishida qo'shimcha nuqsonlarning shakllanishiga va allaqachon mavjud nuqsonlarning rivojlanishiga olib keladi. Shuni ta'kidlash kerakki, tavsiflangan usullar yordamida olingan uglerod nanotubalarining tozaligi 99,9% dan oshmaydi.

Ixtiro uglevodorodlarning katalitik pirolizi natijasida olingan ko'p qatlamli uglerod nanotubalarini katalizator aralashmalarini (1 ppm gacha), shuningdek, MWCNTlarni kislota bilan davolashda paydo bo'lishi mumkin bo'lgan boshqa aralashmalarni deyarli to'liq olib tashlash bilan tozalash usulini ishlab chiqish muammosini hal qiladi. , uglerod nanotubalarining morfologiyasini saqlab qolgan holda.

Muammo faol komponent sifatida Fe, Co, Ni, Mo, Mn va ularning birikmalarini, shuningdek Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 kabi katalizatorlar yordamida uglevodorodlarni piroliz qilish natijasida olingan ko'p qatlamli uglerod nanotubalarini tozalash usuli bilan hal qilinadi. xlorid kislotasi eritmasida qaynatish, keyinchalik suv bilan yuvish bilan amalga oshiriladigan tashuvchilar, kislota bilan ishlov berishdan so'ng, harorat gradienti bo'lgan pechda yuqori toza argon oqimida isitish amalga oshiriladi, ish zonasida harorat. 2200-2800 ° S, pechning chetlarida harorat 900-1000 ° S ni tashkil qiladi, buning natijasida metall aralashmalari 1 ppm dan kam bo'lgan ko'p qatlamli nanotubalar olinadi.

Isitish yuqori toza grafitdan tayyorlangan ampulalarda amalga oshiriladi.

Argon oqimidagi isitish vaqti, masalan, 15-60 minut.

99,999% tozaligi bilan argondan foydalaning.

Usulning sezilarli farqi MWCNTlarni tozalash uchun harorat gradienti bo'lgan pechdan foydalanish bo'lib, u erda metall aralashmalari issiq zonada bug'lanadi va metall zarralari sovuq zonada kichik sharlar shaklida kondensatsiyalanadi. Metall bug'larini uzatishni amalga oshirish uchun gaz oqimining tezligi taxminan 20 l / soat bo'lgan yuqori tozalikdagi argon oqimi (99,999% tozaligi bilan) ishlatiladi. Atmosfera gazlari ta'sirini oldini olish uchun pechka maxsus muhrlar bilan jihozlangan.

MWCNTs va grafit ampulasi yuzasidan suv va havo kislorodini oldindan desorbtsiya qilish, unda namuna grafit pechiga joylashtiriladi, shuningdek ularni yuqori tozalikdagi argon bilan tozalash vodorod bilan bog'liq gazni tashish reaktsiyalarini oldini olishga imkon beradi. va kislorod o'z ichiga olgan gazlar, bu uglerodning yuqori dispers shakllari va past sirt energiyasiga ega bo'lgan yaxshi kristallangan grafitga o'xshash shakllar o'rtasida qayta taqsimlanishiga olib keladi (VLKuznetsov, Yu.V.Butenko, VIZaikovskii va ALChuvilin // Nanokarbonlarda uglerodni qayta taqsimlash jarayonlari / / Karbon 42 (2004) 1057-1061; AS Fialkov // Kukunli uglerod-grafit materiallarini ishlab chiqarish jarayonlari va apparatlari, Aspect Press, Moskva, 2008, 510-514-betlar).

Katalitik uglerodli ko'p qatlamli nanotubalar Fe, Co, Ni, Mo va ularning birikmalarini faol komponentlar sifatida, shuningdek, tashuvchi sifatida Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 ni o'z ichiga olgan katalizatorlar yordamida uglevodorodlarni piroliz qilish yo'li bilan olinadi (T. V. Ebbesen // Karbon nanotubalari: tayyorlash va xususiyatlari, CRC Press, 1997, p.139-161 V.Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // Uglerodli nanotube materiallarining sintezi va tavsifi (sharh) // Kimyoviy texnologiya va metallurgiya universiteti jurnali, 2006, No. 4, v.41, p.377-390; JWSeo; A.Magrez; M.Milas; K.Li, V Lukovac, L.Forro // Katalitik tarzda o'stirilgan uglerod nanotubalari: sintezdan toksiklikkacha // Fizika jurnali D (Amaliy fizika), 2007, v.40, n.6).

Taklif etilayotgan usulda eng tipik metallarning aralashmalarini olib tashlash imkoniyatini ko'rsatish uchun Fe-Co/Al 2 O 3 va Fe-Co/CaCO 3 katalizatorlarida sintez qilingan ikki turdagi MWCNTs uchun tozalash o'tkaziladi. nisbati 2:1. Ushbu katalizatorlardan foydalanishning eng muhim xususiyatlaridan biri sintez qilingan namunalarda MWCNTlardan tashqari boshqa uglerod fazalarining yo'qligi hisoblanadi. Fe-Co/Al 2 O 3 katalizatori ishtirokida o'rtacha tashqi diametri 7-10 nm bo'lgan MWCNTlar, Fe-Co/CaCO 3 katalizatori ishtirokida esa katta o'rtacha tashqi diametrli MWCNTlar olinadi. 22-25 nm olinadi.

Olingan namunalar transmissiya elektron mikroskopiya, rentgen-fluoresans yordamida rentgen trubkasi Rh-anodli ARL-Advant"x analizatori yordamida tekshiriladi (o'lchov aniqligi ± 10%) va namunalarning o'ziga xos sirt maydoni o'lchanadi. BET usuli bilan.

TEM ma'lumotlariga ko'ra, asl namunalar juda nuqsonli MWCNTlardan iborat (1-rasm, 6). Burilishlar sohasidagi quvurlarning bo'laklari silliq, yumaloq konturlarga ega; quvurlar yuzasida ko'p miqdorda fullerenga o'xshash shakllanishlar kuzatiladi. Nanotubalarning grafenga o'xshash qatlamlari ko'p sonli nuqsonlar (uzilishlar, Y-ga o'xshash birikmalar va boshqalar) mavjudligi bilan tavsiflanadi. Quvurlarning ba'zi qismlarida MWCNTlarning turli tomonlarida qatlamlar sonining nomuvofiqligi mavjud. Ikkinchisi, asosan, quvurlar ichida joylashgan ochiq kengaytirilgan grafen qatlamlari mavjudligini ko'rsatadi. 2200 ° S haroratda yuqori toza argon oqimida isitiladigan MWCNTlarning elektron mikroskopik tasvirlari - 2-rasm, 7; 2600 ° S - 3-rasm, 8; 2800°C - 4, 5, 9-rasmlar. Kalsinlashdan so'ng namunalarda ham ichki, ham sirt nuqsonlari kamroq bo'lgan bir tekisroq MWCNTlar kuzatiladi. Naychalar aniq belgilangan burmalari bilan yuzlab nanometrli to'g'ri chiziqli bo'laklardan iborat. Kalsinlash haroratining oshishi bilan tekis qismlarning o'lchamlari ortadi. Quvur devorlarining turli tomonlaridagi grafen qatlamlari soni bir xil bo'ladi, bu MWCNT tuzilishini yanada tartibli qiladi. Quvurlarning ichki yuzasi ham sezilarli o'zgarishlarga uchraydi - metall zarralari chiqariladi, ichki qismlar yanada tartibli bo'ladi. Bundan tashqari, quvurlarning uchlari yopiq - quvurlarni tashkil etuvchi grafen qatlamlarining yopilishi mavjud.

Namunalarning 2800 ° C da kalsinlanishi bir-biriga o'rnatilgan grafen qatlamlaridan iborat kichik miqdordagi kattalashgan silindrsimon uglerod birikmalarining shakllanishiga olib keladi, bu grafit bug'ining ko'payishi tufayli uglerodning qisqa masofalarga o'tkazilishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. bosim.

Dastlabki va qizdirilgan MWCNTlarning namunalarini rentgen spektral floresansi bilan o'rganish shuni ko'rsatdiki, ko'p devorli uglerod nanotubalarining namunalarini 2200-2800 ° S oralig'idagi haroratlarda qizdirgandan so'ng, aralashmalar miqdori kamayadi, bu ham uzatish usuli bilan tasdiqlanadi. elektron mikroskop. MWCNT namunalarini 2800 ° S haroratda isitish namunalardan aralashmalarni deyarli to'liq olib tashlashni ta'minlaydi. Bunday holda, nafaqat katalizator metallarining aralashmalari, balki kislota bilan ishlov berish va yuvish bosqichlarida MWCNTlarga kiradigan boshqa elementlarning aralashmalari ham chiqariladi. Dastlabki namunalarda temirning kobaltga nisbati taxminan 2: 1 ni tashkil qiladi, bu katalizatorlarning dastlabki tarkibiga to'g'ri keladi. Fe-Co/Al 2 O 3 katalizatori namunalarida olingan asl naychalardagi alyuminiy miqdori past bo'lib, bu katalizatorni yuvish jarayonida nanotubalarni kislota bilan ishlov berish jarayonida olib tashlanishi bilan bog'liq. X-nurli spektral floresans usuli bilan aralashmalar tarkibini o'rganish natijalari 1 va 2-jadvallarda keltirilgan.

BET usuli bo'yicha o'ziga xos sirt maydonini o'lchash shuni ko'rsatdiki, harorat oshishi bilan MWCNT namunalarining o'ziga xos sirt maydoni sezilarli darajada o'zgaradi, shu bilan birga uglerod nanotubalarining tuzilishi va morfologiyasi saqlanib qoladi. TEM ma'lumotlariga ko'ra, o'ziga xos sirt maydonining pasayishi MWCNT uchlarining yopilishi va sirt nuqsonlari sonining kamayishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. Haroratning oshishi bilan qatlamlar soni ko'paygan va uzunlik va kenglik nisbati taxminan 2-3 ga teng bo'lgan kattalashtirilgan silindrsimon shakllanishlarning ahamiyatsiz qismi shakllanishi mumkin, bu ham o'ziga xos sirtning pasayishiga yordam beradi. Maxsus sirtni o'rganish natijalari 3-jadvalda keltirilgan.

Ixtironing mohiyati quyidagi misollar, jadvallar (1-3-jadvallar) va rasmlar (1-9-rasmlar) bilan yoritilgan.

650-750 ° S haroratda oqimli kvarts reaktorida Fe-Co/Al 2 O 3 katalizatori ishtirokida etilenning pirolizlanishi natijasida olingan MWCNT (10 g) qismi 200 grafitli ampulaga joylashtiriladi. mm balandlikda va tashqi diametri 45 mm va qopqoq bilan yopiladi ( 10 mm diametrli) teshikli (diametri 1-2 mm). Grafitli ampula kvarts ampulasiga joylashtiriladi va havo vakuum nasosi yordamida kamida 10 -3 Torr bosimgacha chiqariladi, so'ngra yuqori tozalikdagi argon (tozaligi 99,999%), avval xona haroratida, keyin esa tozalanadi. kislorod o'z ichiga olgan sirt guruhlari va suv izlarini olib tashlash uchun 200-230 ° S haroratda. Namuna 2200 ° S haroratda 1 soat davomida yuqori toza argon oqimida (~ 20 l / soat) harorat gradienti bo'lgan pechda isitiladi, bu erda ishchi zonadagi harorat 2200 ° C darajasida saqlanadi. , va pechning chetlarida harorat BILAN 900-1000 °. MWCNT dan isitish vaqtida bug'langan metall atomlari o'choqning issiq qismidan sovuq qismga argon oqimi bilan chiqariladi, bu erda metall kichik sharlar shaklida yotqiziladi.

Kalsinlashdan keyin olingan material transmissiya elektron mikroskopiya va rentgen-spektral floresans usuli bilan tekshiriladi. 1-rasmda asl MWCNTlarning elektron mikroskopik tasvirlari ko'rsatilgan, 2-rasm - 2200 ° C MWCNTlarda qizdirilgan. BET usulidan foydalanib, MWCNT namunalarining o'ziga xos sirt maydoni kaltsiylashdan oldin va keyin aniqlanadi. Olingan ma'lumotlar dastlabki MWCNT namunasining o'ziga xos sirt maydoni bilan solishtirganda, kaltsiylashdan keyin namunalarning o'ziga xos sirt maydonining biroz pasayishini ko'rsatadi.

1-misolga o'xshab, boshlang'ich MWCNTs namunasi 2600 ° C da 1 soat davomida yuqori toza argon oqimida (~ 20 l / soat) harorat gradientli pechda isitilishi bilan farqlanadi, bu erda ish paytida harorat zonasi 2600 ° C darajasida saqlanadi, chunki pechning chetidagi harorat 900-1000 ° S. Transmissiya elektron mikroskopi orqali olingan qizdirilgan MWCNTs tasvirlari 3-rasmda ko'rsatilgan. Yuqori aniqlikdagi TEM tasvirlari nanotubalarning yopiq uchlarini ko'rsatadi.

1-misolga o'xshab, boshlang'ich MWCNTs namunasi 2800 ° C da 15 daqiqa davomida yuqori toza argon oqimida (~ 20 l/soat) harorat gradientli pechda qizdirilishi bilan farqlanadi, bu erda harorat ish joyida. zonasi 2800 ° C darajasida saqlanadi, uchun pechning chetidagi harorat 900-1000 ° C. Transmissiya elektron mikroskopi orqali olingan isitiladigan MWCNTlarning tasvirlari 4-rasmda ko'rsatilgan.

2800 ° S haroratda yonish qatlamlar sonining ko'payishi va uzunligi va kengligi taxminan 2-3 nisbati bilan kichik miqdordagi kattalashgan silindrsimon shakllanishlarning shakllanishiga olib keladi. Ushbu kattalashtirishlar TEM tasvirlarida ko'rinadi (5-rasm).

1-misolga o'xshab, asl MWCNT Fe-Co/CaCO 3 katalizatori ishtirokida olinganligi bilan tavsiflanadi. Transmissiya elektron mikroskopi orqali olingan 2200 ° C da isitiladigan original MWCNTs va MWCNTs tasvirlari mos ravishda 6, 7 da ko'rsatilgan. Asl MWCNTlarning TEM tasvirlari quvur kanallarida (strelkalar bilan belgilangan) o'ralgan metall zarralarini ko'rsatadi.

4-misolga o'xshash, asl MWCNT namunasi 2600 ° C da qizdirilganligi bilan tavsiflanadi. Transmissiya elektron mikroskopi yordamida olingan qizdirilgan MWCNTs tasvirlari 8-rasmda ko'rsatilgan. Yuqori aniqlikdagi TEM tasvirlari nanotubalarning yopiq uchlarini ko'rsatadi.

4-misolga o'xshash, asl MWCNT namunasi 15 daqiqa davomida 2800 ° C da qizdirilishi bilan tavsiflanadi. Transmissiya elektron mikroskopiyasi yordamida olingan qizdirilgan MWCNTs tasvirlari 9-rasmda ko'rsatilgan. Tasvirlar kattalashtirishning kichik qismini shakllantirishni ko'rsatadi.

1-jadval
Fe-Co/Al 2 O 3 katalizatori yordamida olingan qizdirilgandan keyin MWCNTlardagi aralashmalarning tarkibi bo'yicha rentgen-spektral floresans usuli ma'lumotlari.
Element
Dastlabki MWCNTlar	MWCNT_2200°C 1-misol	MWCNT_2600°C 2-misol	MWCNT_2800°C 3-misol
Fe	0.136	0.008	oyoq izlari	oyoq izlari
Shunday qilib	0.0627	oyoq izlari	oyoq izlari	oyoq izlari
Al	0.0050	oyoq izlari	oyoq izlari	oyoq izlari
Sa	oyoq izlari	0.0028	0.0014	oyoq izlari
Ni	0.0004	oyoq izlari	oyoq izlari	oyoq izlari
Si	0.0083	0.0076	oyoq izlari	Yo'q
Ti	Yo'q	0.0033	oyoq izlari	oyoq izlari
S	oyoq izlari	Yo'q	Yo'q	Yo'q
Cl	0.111	Yo'q	Yo'q	Yo'q
sn	0.001	0.001	oyoq izlari	oyoq izlari
Ba	Yo'q	Yo'q	Yo'q	Yo'q
Cu	0.001	0.001	oyoq izlari	oyoq izlari
izlar - element tarkibi 1 ppm dan past

jadval 2
Fe-Co/CaCO 3 katalizatori yordamida olingan qizdirilgandan keyin MWCNTlardagi aralashmalarning tarkibi bo'yicha rentgen-spektral floresans usuli ma'lumotlari
Element	Nopoklik miqdorini baholash, og'irligi%
Dastlabki MWCNTlar	MWCNT_2200°C 4-misol	MWCNT_2600°C 5-misol	MWCNT_2800°C 6-misol
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
Shunday qilib	0.0936	oyoq izlari	oyoq izlari	oyoq izlari
Al	0.0048	oyoq izlari	oyoq izlari	oyoq izlari
Sa	0.0035	0.005	0.0036	oyoq izlari
Ni	0.0003	oyoq izlari	oyoq izlari	oyoq izlari
Si	0.0080	0.0169	0.0098	oyoq izlari
Ti	Yo'q	oyoq izlari	0.0021	0.0005
S	0.002	Yo'q	Yo'q	Yo'q
Cl	0.078	Yo'q	Yo'q	Yo'q
sn	0.0005	oyoq izlari	oyoq izlari	oyoq izlari
Ba	0.008	Yo'q	Yo'q	Yo'q
Cu	oyoq izlari	oyoq izlari	oyoq izlari	oyoq izlari

3-jadval
BET boshlang'ich va isitiladigan MWCNT namunalarining o'ziga xos sirt maydoni
MWCNT namunasi (katalizator)	S urish, m2/g (±2,5%)
MWNT_ref (Fe-Co/Al 2 O 3)	390
MWCNT_2200 (Fe-Co/Al 2 O 3) 1-misol	328
MWCNT_2600 (Fe-Co/Al 2 O 3) 2-misol	302
MWCNT_2800 (Fe-Co/Al 2 O 3) 3-misol	304
MWNT_ref (Fe-Co/SaSO 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co/CaCO 3) 4-misol	134
MWCNT_2600 (Fe-Co/CaCO 3) 5-misol	140
MWCNT_2800 (Fe-Co/CaCO 3) 6-misol	134

Rasm taglavhalari:

1-rasm. Fe-Co/Al 2 O 3 katalizatorida sintez qilingan dastlabki MWCNT namunasining elektron mikroskopik tasvirlari. Chap tomonda past aniqlikdagi TEM tasviri mavjud. O'ngda, pastda, nuqsonli MWCNT devorlarini ko'rsatadigan yuqori aniqlikdagi TEM tasviri.

2-rasm. Fe-Co/Al 2 O 3 katalizatorida sintez qilingan 2200°S haroratda isitiladigan MWCNT namunasining elektron mikroskopik tasvirlari. Chap tomonda past aniqlikdagi TEM tasviri mavjud. Pastki oʻngda, yuqori aniqlikdagi TEM tasviri. MWCNTs tuzilishi kamroq nuqsonli bo'ladi, nanotubalarning uchlari yopiladi.

3-rasm. Fe-Co/Al 2 O 3 katalizatorida sintez qilingan 2600°S haroratda isitiladigan MWCNT namunasining elektron mikroskopik tasvirlari. Chap tomonda past aniqlikdagi TEM tasviri mavjud. O'ng tomonda, quyida MWCNTlarning yopiq uchlarini ko'rsatadigan yuqori aniqlikdagi TEM tasviri. MWCNTs devorlari silliq va kamroq nuqsonli bo'ladi.

4-rasm. Fe-Co/Al 2 O 3 katalizatorida sintez qilingan 2800°S haroratda isitiladigan MWCNT namunasining elektron mikroskopik tasvirlari. Chap tomonda past aniqlikdagi TEM tasviri mavjud. Pastki oʻngda, yuqori aniqlikdagi TEM tasviri kam nuqsonli MWCNT devorlarini koʻrsatadi.

5-rasm. Fe-Co/Al 2 O 3 katalizatorida sintez qilingan, 2800 ° C haroratda isitiladigan MWCNT namunasining elektron mikroskopik tasvirlari, MWCNTs tuzilishidagi nuqsonlar ko'rinishini ko'rsatadi, ular ichiga joylashtirilgan grafen qatlamlaridan iborat silindrsimon shakllanishlar. o'ng yuqori yuqori aniqlikdagi TEM tasvirida ko'rsatiladigan bir-birlari.

6-rasm. Fe-Co/CaCO 3 katalizatorida sintez qilingan dastlabki MWCNT namunasining elektron mikroskopik tasvirlari. Chap tomonda past aniqlikdagi TEM tasviri mavjud. O'ng tomonda, quyida MWCNTlarning notekis yuzasini ko'rsatadigan yuqori aniqlikdagi TEM tasviri. O'ng tomonda, tepada, uglerod nanotubalari kanallari ichida (strelkalar bilan belgilangan) o'ralgan katalizator zarralari ko'rinadi.

7-rasm. Fe-Co/CaCO 3 katalizatorida sintez qilingan 2200°S haroratda isitiladigan MWCNT namunasining elektron mikroskopik tasvirlari. Chap tomonda past aniqlikdagi TEM tasviri mavjud. O'ng tomonda, quyida MWCNTlarning silliq devorlarini ko'rsatadigan yuqori aniqlikdagi TEM tasviri.

8-rasm. Fe-Co/CaCO 3 katalizatorida sintez qilingan 2600°S haroratda isitiladigan MWCNT namunasining elektron mikroskopik tasvirlari. Chap tomonda past aniqlikdagi TEM tasviri mavjud. O'ng tomonda, quyida MWCNTlarning yopiq uchlarini ko'rsatadigan yuqori aniqlikdagi TEM tasviri. MWCNTs devorlari silliq va kamroq nuqsonli bo'ladi.

9-rasm. Fe-Co/CaCO 3 katalizatorida sintez qilingan 2800°S haroratda isitiladigan MWCNT namunasining elektron mikroskopik tasvirlari. Chap tomonda past aniqlikdagi TEM tasviri mavjud. Pastki oʻngda, yuqori aniqlikdagi TEM tasviri.

1. Tarkibida Fe, Co, Ni, Mo, Mn va ularning birikmalari faol komponentlar sifatida, shuningdek, tashuvchi sifatida Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 ni o‘z ichiga olgan katalizatorlar yordamida uglevodorodlarni piroliz qilish natijasida olingan ko‘p qatlamli uglerod nanotubalarini tozalash usuli. xlorid kislota eritmasida qaynatish, keyinchalik suv bilan yuvish, kislota bilan ishlov berishdan so'ng isitish yuqori toza argon oqimida harorat gradienti bo'lgan pechda amalga oshirilishi bilan tavsiflanadi, bu erda ish zonasidagi harorat 2200- 2800 ° S, pechning chetlarida harorat 900-1000 ° S ni tashkil qiladi, natijada metall aralashmalari miqdori 1 ppm dan kam bo'lgan ko'p qatlamli nanotubalar paydo bo'ladi.

2. 1-bandga muvofiq usul bo'lib, isitish yuqori toza grafitdan tayyorlangan ampulalarda amalga oshirilishi bilan tavsiflanadi.

Uglerod nanotubalarini tozalash

CNTlarni olishning umumiy usullaridan hech biri ularni sof shaklda ajratib olishga imkon bermaydi. NT uchun aralashmalar fullerenlar, amorf uglerod, grafitlangan zarralar, katalizator zarralari bo'lishi mumkin.

CNT tozalash usullarining uchta guruhi mavjud:

halokatli,

buzilmaydigan,

birlashtirilgan.

Vayron qiluvchi usullar kimyoviy reaktsiyalardan foydalanadi, ular oksidlovchi yoki qaytaruvchi bo'lishi mumkin va turli xil uglerod shakllarining reaktivligidagi farqlarga asoslanadi. Oksidlanish uchun oksidlovchi moddalarning eritmalari yoki gazsimon reagentlar, qaytarilish uchun esa vodorod ishlatiladi. Usullar yuqori tozalikdagi CNTlarni izolyatsiya qilish imkonini beradi, ammo quvurlarni yo'qotish bilan bog'liq.

Buzilmaydigan usullarga ekstraktsiya, flokulyatsiya va tanlab cho'ktirish, o'zaro oqim mikrofiltrlash, istisno xromatografiya, elektroforez, organik polimerlar bilan selektiv reaktsiya kiradi. Qoida tariqasida, bu usullar samarasiz va samarasizdir.

Uglerod nanotubalarining xossalari

Mexanik. Nanotubalar, aytganidek, kuchlanishda ham, egilishda ham juda kuchli materialdir. Bundan tashqari, kritik darajadan oshib ketadigan mexanik kuchlanishlar ta'sirida nanotubalar "buzmaydi", balki qayta tartibga solinadi. Nanotubalarning yuqori mustahkamlik kabi xususiyatiga asoslanib, ular hozirgi vaqtda kosmik lift kabeli uchun eng yaxshi material ekanligi haqida bahslashish mumkin. Tajribalar natijalari bilan ko'rsatilganidek va raqamli simulyatsiya, bir qatlamli nanotubaning Young moduli 1-5 TPa darajasidagi qiymatlarga etadi, bu po'latdan kattaroq tartibdir. Quyidagi grafikda bitta devorli nanotube va yuqori quvvatli po'lat o'rtasidagi taqqoslash ko'rsatilgan.

1 - Kosmik liftning kabeli, hisob-kitoblarga ko'ra, 62,5 GPa mexanik kuchlanishga bardosh berishi kerak.

2 - kuchlanish diagrammasi (mexanik kuchlanishning y nisbiy cho'zilishga bog'liqligi e)

Eng bardoshli o'rtasidagi sezilarli farqni ko'rsatish uchun bu daqiqa materiallar va uglerod nanotubalari, keling, quyidagi fikrlash tajribasini qilaylik. Tasavvur qiling-a, ilgari taxmin qilinganidek, hozirgi kunga qadar eng bardoshli materiallardan tashkil topgan ma'lum bir xanjar shaklidagi bir hil struktura kosmik lift uchun kabel bo'lib xizmat qiladi, keyin GEO (geostatsionar Yer orbitasi)dagi kabelning diametri taxminan bo'ladi. 2 km va Yer yuzasida 1 mm gacha torayadi. Bunday holda, umumiy massa 60 * 1010 tonnani tashkil qiladi. Agar material sifatida uglerod nanotubalari ishlatilgan bo'lsa, u holda GEOda kabelning diametri Yer yuzasida 0,26 mm va 0,15 mm, shuning uchun umumiy massasi 9,2 tonnani tashkil etdi. Yuqoridagi faktlardan ko'rinib turibdiki, uglerod nanotolasi aynan kabelni qurish uchun zarur bo'lgan material bo'lib, uning haqiqiy diametri taxminan 0,75 m bo'lib, kosmik lift kabinasini harakatga keltirish uchun ishlatiladigan elektromagnit tizimga ham bardosh bera oladi.

Elektr. Uglerod nanotubalarining kichik o'lchamlari tufayli faqat 1996 yilda to'rt qirrali usul yordamida ularning elektr qarshiligini to'g'ridan-to'g'ri o'lchash mumkin bo'ldi.

Oltin chiziqlar vakuumda sayqallangan kremniy oksidi yuzasiga yotqizilgan. Ularning orasiga 2-3 mkm uzunlikdagi nanotubalar yotqizilgan. Keyin, o'lchash uchun tanlangan nanotubalardan biriga qalinligi 80 nm bo'lgan to'rtta volfram o'tkazgich yotqizildi. Volfram o'tkazgichlarining har biri oltin chiziqlardan biri bilan aloqa qilgan. Nanotubadagi kontaktlar orasidagi masofa 0,3 dan 1 mkm gacha bo'lgan. To'g'ridan-to'g'ri o'lchash natijalari shuni ko'rsatdiki, nanotubalarning qarshiligi sezilarli diapazonda - 5,1 * 10 -6 dan 0,8 ohm / sm gacha o'zgarishi mumkin. Minimal qarshilik grafitnikidan pastroq kattalik tartibidir. Nanotubalarning ko'pchiligi metall o'tkazuvchanlikka ega, kichikroq qismi esa 0,1 dan 0,3 eV gacha bo'lgan tarmoqli bo'shlig'iga ega bo'lgan yarim o'tkazgichning xususiyatlarini namoyish etadi.

Fransuz va rossiyalik tadqiqotchilar (IPTM RAS, Chernogolovkadan) nanotubalarning yana bir xususiyatini, ya'ni o'ta o'tkazuvchanlikni topdilar. Ular diametri ~1 nm bo‘lgan, ko‘p sonli bir devorli nanotubalar to‘plamiga o‘ralgan alohida bir devorli nanotubaning, shuningdek, alohida ko‘p qatlamli nanotubalarning joriy kuchlanish xususiyatlarini o‘lchadi. Ikki supero'tkazuvchi metall kontaktlari o'rtasida 4K ga yaqin haroratda supero'tkazuvchi oqim kuzatildi. Nanotubada zaryad o'tkazish xususiyatlari oddiy, uch o'lchovli o'tkazgichlarga xos bo'lgan xususiyatlardan tubdan farq qiladi va, ehtimol, uzatishning bir o'lchovli tabiati bilan izohlanadi.

Shuningdek, Lozanna universitetidan (Shveytsariya) de Girom qiziqarli xususiyatni kashf etdi: bir qatlamli nanotubaning kichik 5-10o ga egilishi bilan o'tkazuvchanlikning keskin (taxminan ikki darajali) o'zgarishi. Bu xususiyat nanotubalarning ko'lamini kengaytirishi mumkin. Bir tomondan, nanonaycha mexanik tebranishlarni elektr signaliga va aksincha (aslida, uzunligi bir necha mikron va diametri taxminan bir nanometr bo'lgan telefon qabul qiluvchisi) tayyor yuqori sezgir konvertorga aylanadi va , boshqa tomondan, bu eng kichik deformatsiyalarning amalda tayyor sensori. Bunday sensordan odamlarning xavfsizligi bog'liq bo'lgan mexanik qismlar va qismlarning holatini kuzatuvchi qurilmalarda foydalanish mumkin, masalan, poezdlar va samolyotlar yo'lovchilari, atom va issiqlik elektr stantsiyalari xodimlari va boshqalar.

Kapillyar. Tajribalar shuni ko'rsatdiki, ochiq nanotubka kapillyar xususiyatlarga ega. Nanotubkani ochish uchun ustki qismini - qopqog'ini olib tashlash kerak. Olib tashlashning bir usuli nanotubalarni 850 0 S haroratda bir necha soat davomida karbonat angidrid oqimida tavlashdir. Oksidlanish natijasida barcha nanotubalarning taxminan 10% ochiq. Nanotubalarning yopiq uchlarini yo'q qilishning yana bir usuli - 2400 S haroratda 4,5 soat davomida konsentrlangan nitrat kislota bilan ta'sir qilishdir. Bunday ishlov berish natijasida nanonaylarning 80% ochiq bo'ladi.

Kapillyar hodisalarning birinchi tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, agar suyuqlikning sirt tarangligi 200 mN / m dan yuqori bo'lmasa, nanotubka kanaliga kiradi. Shuning uchun nanotubalarga har qanday moddalarni kiritish uchun sirt tarangligi past bo'lgan erituvchilar qo'llaniladi. Masalan, sirt tarangligi past (43 mN/m) bo'lgan konsentrlangan nitrat kislota ma'lum metallarni nanotuba kanaliga kiritish uchun ishlatiladi. Keyin tavlanish vodorod atmosferasida 4000 C da 4 soat davomida amalga oshiriladi, bu esa metallning qisqarishiga olib keladi. Shu tariqa tarkibida nikel, kobalt va temir bo‘lgan nanotubalar olindi.

Metallar bilan bir qatorda, uglerod nanotubalarini gazsimon moddalar, masalan, molekulyar vodorod bilan to'ldirish mumkin. Bu qobiliyat amaliy ahamiyatga ega, chunki u ichki yonuv dvigatellarida ekologik toza yoqilg'i sifatida ishlatilishi mumkin bo'lgan vodorodni xavfsiz saqlash imkoniyatini ochib beradi. Shuningdek, olimlar nanotubka ichiga gadoliniy atomlari o'rnatilgan fullerenlarning butun zanjirini joylashtirishga muvaffaq bo'lishdi (5-rasmga qarang).

Guruch. 5. C60 ichida bitta devorli nanotube ichida