» »

Uglerod nanotubalari va ultratovush yordamida titan va uning birikmalaridan er usti va er osti suvlarini tozalash usuli. Uglerod nanotubalari Uglerod nanotubalarini tozalash

Rossiya Federatsiyasi Ta'lim va fan vazirligi

Federal davlat oliy kasbiy ta'lim muassasasi

Rossiya kimyoviy texnologiya universiteti D.I.Mendeleyev

Neft kimyosi va polimer materiallari fakulteti

Kafedra kimyoviy texnologiya uglerod materiallari

Amaliyot hisoboti

mavzusida UGLAROD NANOTUBLAR VA NANOVOLKLAR

Muallif: Marinin S. D.

Tekshirgan: kimyo fanlari doktori, Buxarkina T.V.

Moskva, 2013 yil

Kirish

Nanotexnologiya sohasi butun dunyoda 21-asr texnologiyalari uchun asosiy mavzu sifatida qaralmoqda. Ularni iqtisodiyotning yarimo'tkazgichlar ishlab chiqarish, tibbiyot, sensorlar texnologiyasi, ekologiya, avtomobilsozlik kabi sohalarida ko'p qirrali qo'llash imkoniyatlari, qurilish mollari, biotexnologiya, kimyo, aviatsiya va astronavtika, mashinasozlik va to'qimachilik sanoati o'sishi uchun katta imkoniyatlarga ega. Nanotexnologiya mahsulotlaridan foydalanish xom ashyo va energiya sarfini tejash, atmosferaga chiqindilarni kamaytirish va shu bilan barqaror rivojlanish iqtisodiyot.

Nanotexnologiyalar sohasidagi ishlanmalar yangi fanlararo soha - nanofan tomonidan amalga oshirilmoqda, uning yo'nalishlaridan biri nanokimyodir. Nanokimyo asrning boshida paydo bo'ldi, kimyoda hamma narsa allaqachon ochiq, hamma narsa aniq va faqat olingan bilimlarni jamiyat manfaati uchun ishlatish qolgandek tuyuldi.

Kimyogarlar atomlar va molekulalarning ulkan kimyoviy poydevorning asosiy qurilish bloklari sifatida ahamiyatini doimo bilishgan va yaxshi tushunishgan. Shu bilan birga, elektron mikroskopiya, yuqori selektiv mass-spektroskopiya kabi yangi tadqiqot usullarining maxsus namuna tayyorlash usullari bilan birgalikda ishlab chiqilishi kichik, yuzdan kam atomga ega bo‘lgan zarralar haqida ma’lumot olish imkonini berdi. .

Taxminan 1 nm o'lchamdagi bu zarralar (10-9 m - millionga bo'lingan millimetr) g'ayrioddiy, bashorat qilish qiyin bo'lgan kimyoviy xususiyatlarga ega.

Ko'pchilik uchun eng mashhur va tushunarli bo'lganlar fullerenlar, grafenlar, uglerod nanotubalari va nanotolalar kabi quyidagi nanostrukturalardir. Ularning barchasi bir-biriga bog'langan uglerod atomlaridan iborat, ammo ularning shakli sezilarli darajada farq qiladi. Grafen - SP dagi uglerod atomlarining tekisligi, monoqatlami, "pardasi" 2 gibridlanish. Fullerenlar yopiq ko'pburchaklar bo'lib, biroz futbol to'pini eslatadi. Nanotubalar silindrsimon ichi bo'sh hajmli jismlardir. Nanotolalar konus, silindr, piyola bo'lishi mumkin. Men o'z ishimda nanotubalar va nanotolalarni aniq ta'kidlashga harakat qilaman.

Nanotubalar va nanotolalarning tuzilishi

Uglerod nanotubalari nima? Uglerod nanotubalari - bu silindrsimon struktura bo'lib, diametri bir necha nanometr bo'lgan, quvurga o'ralgan grafit tekisliklaridan iborat. Grafit tekisligi olti burchakli uchburchakda uglerod atomlari joylashgan doimiy olti burchakli panjaradir. Uglerod nanotubalari uzunligi, diametri, chiralligi (o'ralgan grafit tekisligining simmetriyalari) va qatlamlar soni bo'yicha farq qilishi mumkin. Xirallik<#"280" src="/wimg/13/doc_zip1.jpg" />

Bir devorli nanotubalar. Yagona devorli uglerod nanotubalari (SWCNTs) grafenni tomonlari tikuvsiz birlashtirilgan silindrga katlash natijasida hosil bo'lgan strukturaga ega bo'lgan uglerod nanotolalarining kichik turidir. Grafenni choksiz silindrga aylantirish faqat cheklangan miqdordagi usullarda mumkin bo'lib, u silindrga o'ralganida bir-biriga to'g'ri keladigan ikkita ekvivalent nuqtani bog'laydigan ikki o'lchovli vektor yo'nalishi bo'yicha farqlanadi. Bu vektor chirallik vektori deb ataladi bir qatlamli uglerod nanotuba. Shunday qilib, bitta devorli uglerod nanotubalari diametri va chiralligi bilan farqlanadi. Tajriba ma'lumotlariga ko'ra, bitta devorli nanotubalarning diametri ~ 0,7 nm dan ~ 3-4 nm gacha o'zgarib turadi. Bir devorli nanotube uzunligi 4 sm ga yetishi mumkin.SWCNTlarning uchta shakli mavjud: axiral "stul" tipi (har bir olti burchakning ikki tomoni CNT o'qiga perpendikulyar yo'naltirilgan), axiral "zigzag" tipi (har birining ikki tomoni). olti burchakli CNT o'qiga parallel ravishda yo'naltirilgan) va chiral yoki spiral (olti burchakning har bir tomoni CNT o'qiga 0 va 90 dan boshqa burchak ostida joylashgan) º ). Shunday qilib, "kreslo" tipidagi axiral CNTlar indekslar (n, n), "zigzag" tipidagi - (n, 0), chiral - (n, m) bilan tavsiflanadi.

MWCNTdagi qatlamlar soni ko'pincha 10 dan oshmaydi, lekin ichida individual holatlar bir necha o'nga etadi.

Ba'zan ko'p qatlamli nanotubalar orasida ikki qavatli nanotubalar alohida tur sifatida ajralib turadi. "Rus qo'g'irchoqlari" tipidagi struktura koaksial tarzda joylashtirilgan silindrsimon quvurlar to'plamidir. Ushbu strukturaning yana bir turi - ichki o'rnatilgan koaksiyal prizmalar to'plami. Nihoyat, bu tuzilmalarning oxirgisi rulonga (o'tish) o'xshaydi. Rasmdagi barcha tuzilmalar uchun. qo'shni grafen qatlamlari orasidagi masofaning xarakterli qiymati, 0,34 nm qiymatiga yaqin, kristalli grafitning qo'shni tekisliklari orasidagi masofaga xosdir.<#"128" src="/wimg/13/doc_zip3.jpg" />

Ruscha Matryoshka Roll Papier-mache

Uglerod nanotolalari (CNFs) - bu egri grafen qatlamlari yoki nanokonlar bir o'lchovli filamentga katlanadigan materiallar sinfi bo'lib, ularning ichki tuzilishi grafen qatlamlari va tolalar o'qi orasidagi a burchagi bilan tavsiflanishi mumkin. Umumiy farqlardan biri ikkita asosiy tola turi o'rtasida: zich joylashgan konussimon grafen qatlamlari va katta a bo'lgan Herringbone va silindrsimon stakanga o'xshash grafen qatlamlari bo'lgan Bambuk va kichik a ko'p devorli uglerod nanotubalariga o'xshaydi.<#"228" src="/wimg/13/doc_zip4.jpg" />

a - nanofiber "tanga ustuni";

b - "Rojdestvo daraxti tuzilishi" nanofiber (konuslar to'plami, "baliq suyagi");

c - nanofiber "chashka to'plami" ("chiroq soyalari");

d - nanotube "Rus matryoshka";

e - bambuk shaklidagi nanofiber;

e - sferik kesimli nanofiber;

g - ko'p yuzli bo'limli nanofiber

Alohida kichik turlarga ajratish uglerod nanotubalari ularning xususiyatlari sezilarli darajada farq qilishi sababli yaxshiroq tomoni boshqa turdagi uglerod nanotolalarining xususiyatlaridan. Bu butun uzunligi bo'ylab nanotubka devorini tashkil etuvchi grafen qatlami yuqori kuchlanish, issiqlik va elektr o'tkazuvchanligiga ega ekanligi bilan izohlanadi. Bundan farqli o'laroq, devor bo'ylab harakatlanadigan uglerod nanotolalarida bir grafen qatlamidan ikkinchisiga o'tish sodir bo'ladi. Qatlamlararo kontaktlarning mavjudligi va nanotolalar strukturasining yuqori nuqsonlari ularning jismoniy xususiyatlarini sezilarli darajada buzadi.

Hikoya

Nanonaychalar va nanotolalar tarixi haqida alohida gapirish qiyin, chunki bu mahsulotlar sintez jarayonida ko'pincha bir-biriga hamroh bo'ladi. Uglerod nanotolalarini ishlab chiqarish bo'yicha birinchi ma'lumotlardan biri, ehtimol, 1889 yilda Hughes va Chambers tomonidan temir tigelda CH4 va H2 aralashmasini piroliz qilish jarayonida hosil bo'lgan uglerodning quvurli shakllarini ishlab chiqarish uchun patentdir. Ular metan va vodorod aralashmasidan gazni piroliz qilish yo'li bilan uglerod filamentlarini o'stirish uchun foydalandilar, keyin esa uglerod yog'inlari paydo bo'ldi. Ushbu tolalarni olish haqida ancha keyinroq, elektron mikroskop yordamida ularning tuzilishini o'rganish imkoniyati paydo bo'lganda, aniq gapirish mumkin bo'ldi. Elektron mikroskop yordamida uglerod nanotolalarining birinchi kuzatuvi 1950-yillarning boshlarida sovet olimlari Radushkevich va Lukyanovich tomonidan amalga oshirildi, ular Sovet Fizika Kimyosi jurnalida diametri 50 nanometr bo'lgan uglerodning ichi bo'sh grafit tolalarini ko'rsatadigan maqolani chop etdilar. 1970-yillarning boshida yapon tadqiqotchilari Koyama va Endo diametri 1 mkm va uzunligi 1 mm dan ortiq bo'lgan bug 'cho'kishi (VGCF) orqali uglerod tolalarini ishlab chiqarishga muvaffaq bo'lishdi. Keyinchalik, 1980-yillarning boshlarida AQShdagi Tibbets va Frantsiyadagi Benissad uglerod tolasi (VGCF) jarayonini yaxshilashni davom ettirdilar. AQShda ushbu materiallarning sintezi va xossalari bo'yicha chuqurroq tadqiqotlar olib borilmoqda amaliy qo'llash, R. Terri K. Beyker tomonidan olib borilgan va turli xil tijorat jarayonlarida, ayniqsa neftni qayta ishlash sohasida moddiy to'planish natijasida yuzaga kelgan doimiy muammolar tufayli uglerod nanotolalarining o'sishini bostirish zarurati bilan turtki bo'lgan. Gaz fazasidan o'stirilgan uglerod tolalarini tijoratlashtirishga birinchi urinish 1991 yilda Grasker brendi ostida Yaponiyaning Nikosso kompaniyasi tomonidan amalga oshirildi, o'sha yili Ijima uglerod nanotubalarining kashfiyoti haqida o'zining mashhur maqolasini nashr etdi.<#"justify">Kvitansiya

Hozirgi vaqtda asosan uglevodorodlarning pirolizlanishi va grafitning sublimatsiyasi va desublimatsiyasiga asoslangan sintezlar qo'llaniladi.

  • yoy usuli,
  • radiatsion isitish (quyosh kontsentratorlari yoki lazer nurlanishidan foydalanish),
  • lazer-termik,
  • elektron yoki ion nurlari bilan isitish;
  • plazma sublimatsiyasi,
  • rezistorli isitish.

Ushbu variantlarning ko'pchiligi o'ziga xos variantlarga ega. Elektr yoyi usulining ba'zi variantlari ierarxiyasi diagrammada ko'rsatilgan:

Hozirgi vaqtda eng keng tarqalgan usul - bu grafit elektrodlarini yoy deşarj plazmasida termal püskürtme. Sintez jarayoni geliy bilan to'ldirilgan kamerada taxminan 500 mm Hg bosim ostida amalga oshiriladi. Art. Plazma yonishi jarayonida anodning qizg'in termal bug'lanishi sodir bo'ladi, shu bilan birga katodning so'nggi yuzasida cho'kindi hosil bo'ladi, unda uglerod nanotubalari hosil bo'ladi. Nanotubalarning maksimal soni plazma oqimi minimal bo'lganda va uning zichligi taxminan 100 A / sm2 bo'lganda hosil bo'ladi. Eksperimental qurilmalarda elektrodlar orasidagi kuchlanish taxminan 15-25 V, tushirish oqimi bir necha o'nlab amperlar va grafit elektrodlarining uchlari orasidagi masofa 1-2 mm. Sintez jarayonida anod massasining taxminan 90% katodga yotqiziladi. Olingan ko'p sonli nanotubalarning uzunligi taxminan 40 mkm. Ular katodda uning uchining tekis yuzasiga perpendikulyar o'sadi va diametri taxminan 50 mkm bo'lgan silindrsimon nurlarga to'planadi.

Nanotube to'plamlari muntazam ravishda katod yuzasini qoplaydi va chuqurchalar tuzilishini hosil qiladi. Uglerod konidagi nanotubalarning miqdori taxminan 60% ni tashkil qiladi. Komponentlarni ajratish uchun hosil bo'lgan cho'kma metanolga solinadi va sonikatsiyalanadi. Natijada, suv qo'shilgandan so'ng, sentrifugada ajratiladigan suspenziya hosil bo'ladi. Yirik zarrachalar sentrifuga devorlariga yopishadi, nanotubalar esa suspenziyada suzuvchi holatda qoladi. Keyin nanotubalar nitrat kislotada yuviladi va kislorod va vodorodning gazsimon oqimida 1:4 nisbatda 750 haroratda quritiladi. 0C 5 daqiqa davomida. Bunday qayta ishlash natijasida o'rtacha diametri 20 nm va uzunligi 10 mkm bo'lgan ko'p sonli nanotubalardan iborat engil gözenekli material olinadi. Hozirgacha erishilgan maksimal nanofiber uzunligi 1 sm.

Uglevodorodlarning pirolizi

Dastlabki reagentlarni va jarayonlarni o'tkazish usullarini tanlash nuqtai nazaridan, bu guruh grafitni sublimatsiya qilish va desublimatsiya qilish usullariga qaraganda sezilarli darajada ko'proq imkoniyatlarga ega. Bu CNT hosil bo'lish jarayoni ustidan aniqroq nazoratni ta'minlaydi, keng miqyosli ishlab chiqarish uchun ko'proq mos keladi va nafaqat uglerod nanomateriallarini, balki substratlarda ma'lum tuzilmalarni, nanotubalardan tashkil topgan makroskopik tolalarni, shuningdek kompozit materiallarni ishlab chiqarishga imkon beradi. xususan, uglerodli CNTlar bilan modifikatsiyalangan uglerod tolalari va uglerod qog'ozlari, keramik kompozitlar. Yaqinda ishlab chiqilgan nanosfera litografiyasidan foydalanib, CNTlardan fotonik kristallarni olish mumkin edi. Shu tarzda, ma'lum diametr va uzunlikdagi CNTlarni izolyatsiya qilish mumkin.

Pirolitik usulning afzalliklari, qo'shimcha ravishda, uni matritsa sintezi uchun, masalan, gözenekli alumina membranalari yoki molekulyar elaklardan foydalangan holda amalga oshirish imkoniyatini o'z ichiga oladi. Alyuminiy oksidi yordamida tarmoqlangan CNT va CNT membranalarini olish mumkin. Matritsa usulining asosiy kamchiliklari ko'p matritsalarning yuqori narxi, ularning kichik o'lchamlari, faol reagentlardan foydalanish zarurati va matritsalarni eritish uchun og'ir sharoitlardir.

Uchta uglevodorodlar, metan, asetilen va benzolning pirolizlanishi, shuningdek, CO ning termal parchalanishi (disproporsionalligi) ko'pincha CNT va CNF sintezi uchun ishlatiladi. Metan, uglerod oksidi kabi, past haroratlarda parchalanishga moyil emas (metanning katalitik bo'lmagan parchalanishi ~ 900 dan boshlanadi. haqida C), bu nisbatan oz miqdordagi amorf uglerod aralashmalari bilan SWCNTlarni sintez qilish imkonini beradi. Uglerod oksidi past haroratlarda boshqa sabablarga ko'ra parchalanmaydi: kinetik. Turli moddalarning xatti-harakatlaridagi farq rasmda ko'rinadi. 94.

Metanning boshqa uglevodorodlar va uglerod oksidiga nisbatan afzalliklari shundaki, uning CNT yoki CNF hosil bo'lishi bilan pirolizlanishi H ning ajralib chiqishi bilan birlashtiriladi. 2va mavjud ishlab chiqarishlarda foydalanish mumkin N 2.

Katalizatorlar

CNT va CNF hosil bo'lishining katalizatorlari Fe, Co va Ni; oz miqdorda kiritiladigan promotorlar, asosan, Mo, W yoki Cr (kamroq - V, Mn, Pt va Pd), katalizator tashuvchilar uchuvchan bo'lmagan oksidlar va metallarning gidroksidlari (Mg, Ca, Al, La, Si). , Ti, Zr), qattiq eritmalar, ba'zi tuzlar va minerallar (karbonatlar, shpinellar, perovskitlar, gidrotalsitlar, tabiiy gillar, diatomitlar), molekulyar elaklar (xususan, zeolitlar), silikagel, aerogel, alyuminiy gel, g'ovak Si va amorf C Shu bilan birga, V, Cr, Mo, W, Mn va, ehtimol, piroliz sharoitida boshqa ba'zi metallar birikmalar - oksidlar, karbidlar, metallatlar va boshqalar shaklida bo'ladi.

Nobel metallar (Pd, Ru, PdSe), qotishmalar (mischmetal, permalloy, nikrom, monel, zanglamas po'latdan, Co-V, Fe-Cr, Fe-Sn, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-C, Co-Fe-Ni, qattiq qotishma Co-WC va boshqalar), CoSi 2va CoGe 2, LaNi 5, MmNi 5(Mm - mischmetal), Zr va boshqa gidrid hosil qiluvchi metallarning qotishmalari. Aksincha, Au va Ag CNTlarning shakllanishiga to'sqinlik qiladi.

Katalizatorlar yupqa oksidli plyonka bilan qoplangan kremniyga, germaniyga, ayrim turdagi shishalarga va boshqa materiallardan tayyorlangan substratlarga yotqizilishi mumkin.

Bir kristalli kremniyni ma'lum tarkibdagi eritmada elektrokimyoviy qirqish natijasida olingan g'ovakli kremniy ideal katalizator tashuvchisi hisoblanadi. G'ovakli kremniy tarkibida mikroporlar bo'lishi mumkin (< 2 нм), мезопоры и макропоры (>100 nm). Katalizatorlarni olish uchun an'anaviy usullar qo'llaniladi:

  • kukunlarni aralashtirish (kamdan-kam hollarda sinterlash);
  • metallarni substratga cho'ktirish yoki elektrokimyoviy cho'ktirish, so'ngra uzluksiz yupqa plyonkani nano o'lchamdagi orollarga aylantirish (bir nechta metallarni qatlam-qatlam cho'ktirish ham qo'llaniladi);
  • kimyoviy bug'larning cho'kishi;
  • substratni eritma ichiga botirish;
  • katalizator zarralarining suspenziyasini substratga qo'llash;
  • eritmani aylanadigan substratga qo'llash;
  • inert kukunlarni tuzlar bilan singdirish;
  • oksidlar yoki gidroksidlarning birgalikda cho'kishi;
  • ion almashinuvi;
  • kolloid usullar (sol-gel jarayoni, teskari misellar usuli);
  • tuzlarning termal parchalanishi;
  • metall nitratlarning yonishi.

Yuqorida tavsiflangan ikkita guruhga qo'shimcha ravishda, CNTni olishning ko'plab boshqa usullari ishlab chiqilgan. Ular ishlatiladigan uglerod manbalariga ko'ra tasniflanishi mumkin. Boshlang'ich birikmalar: grafit va qattiq uglerodning boshqa shakllari, organik birikmalar, noorganik birikmalar, organometalik birikmalar. Grafitni CNT ga bir necha usullar bilan aylantirish mumkin: intensiv balli frezalash, keyin yuqori haroratli tavlanish orqali; erigan tuzlarni elektroliz qilish; alohida grafen varaqlariga bo'linish va keyinchalik bu varaqlarning o'z-o'zidan burishishi. Amorf uglerod gidrotermal sharoitda qayta ishlanganda CNT ga aylanishi mumkin. Uglerod qora (soot) dan CNTlar katalizatorlar bilan yoki katalizatorsiz yuqori haroratli transformatsiyalar, shuningdek, bosimli suv bug'lari bilan o'zaro ta'sir qilish orqali olingan. Nanotubular tuzilmalar vakuumli tavlanish mahsulotlarida mavjud (1000 haqida C) katalizator ishtirokida olmosga o'xshash uglerod plyonkalari. Nihoyat, fullerit C ning katalitik yuqori haroratli transformatsiyasi 60yoki gidrotermik sharoitda ishlov berish ham KNT hosil bo'lishiga olib keladi.

Tabiatda uglerod nanotubalari mavjud. Meksikalik tadqiqotchilar guruhi ularni 5,6 km chuqurlikdan olingan neft namunalarida topdilar (Velasko-Santos, 2003). CNT diametri bir necha nanometrdan o'nlab nanometrgacha bo'lgan va uzunligi 2 mkm ga etgan. Ulardan ba'zilari turli xil nanozarrachalar bilan to'ldirilgan.

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.

  1. halokatli,
  2. buzilmaydigan,
  3. 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 reaksiya 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 xususiyatlariga asoslanib, ular hozirgi vaqtda kosmik liftni ulash 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 2

Kosmik liftning kabeli 62,5 GPa mexanik kuchlanishga bardosh berishi taxmin qilinmoqda

Kuchlanish diagrammasi (mexanik kuchlanishga bog'liqlik σ cho'zilishdan ε)

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 bevosita 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'lchovlar natijalari shuni ko'rsatdiki, nanotubalarning qarshiligi sezilarli diapazonda - 5,1 * 10 dan farq qilishi mumkin. -60,8 ohm / sm gacha. Minimal qarshilik grafitnikidan pastroq kattalik tartibidir. Nanotubalarning aksariyati 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.

Lozanna universitetidan (Shveytsariya) de Geer ham topdi qiziqarli mulk: bir qavatli nanonaychaning 5-10° ga egilishi bilan oʻtkazuvchanlikning keskin (taxminan ikki darajali) oʻzgarishi. 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 haroratda tavlash 0C karbonat angidrid oqimida bir necha soat davomida. 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 kislotasi bilan ta'sir qilishdir. Bunday ishlov berish natijasida nanotubalarning 80% ochiq holga keladi.

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 kislotasi nanotuba kanaliga ma'lum metallarni 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 nanotubka ichida

Kapillyar effektlar va nanotubalarni to'ldirish

nanotube uglerod piroliz elektr yoyi

Uglerod nanotubalardagi kapillyar hodisalar birinchi marta eritilgan qo'rg'oshinning nanotubkalarga kapillyar tortilishi ta'siri kuzatilgan ishda eksperimental ravishda amalga oshirildi. Ushbu tajribada 30 V kuchlanish va 180-200 A oqimda diametri 0,8 va uzunligi 15 sm bo'lgan elektrodlar o'rtasida nanotubalarni sintez qilish uchun mo'ljallangan elektr yoyi yondirildi. Materialning qatlami 3-4. Anod yuzasining termal yo'q qilinishi natijasida katod yuzasida hosil bo'lgan sm balandlikda kameradan olib tashlandi va karbonat angidrid oqimida T = 850 ° C da 5 soat davomida saqlanadi. Ushbu operatsiya, natijada namuna massasining taxminan 10% ni yo'qotdi, namunani amorf grafit zarralaridan tozalashga va cho'kmada nanotubalarni topishga yordam berdi. Nanotubalarni o'z ichiga olgan cho'kmaning markaziy qismi etanolga solingan va sonikatsiya qilingan. Xloroformda tarqalgan oksidlanish mahsuloti elektron mikroskop bilan kuzatish uchun teshiklari bo'lgan uglerod lentasiga surildi. Kuzatishlar shuni ko'rsatdiki, ishlov berilmagan quvurlar choksiz tuzilishga, to'g'ri shakldagi boshlarga va diametri 0,8 dan 10 nm gacha bo'lgan. Oksidlanish natijasida nanotubkalarning taxminan 10% qopqoqlari shikastlangan va tepaga yaqin qatlamlarning bir qismi yirtilib ketgan. Kuzatish uchun mo'ljallangan nanotubalarni o'z ichiga olgan namuna vakuumda eritilgan qo'rg'oshin tomchilari bilan to'ldirilgan, ular metall yuzani elektron nur bilan nurlantirish orqali olingan. Bunda nanotubalarning tashqi yuzasida 1 dan 15 nm gacha bo'lgan qo'rg'oshin tomchilari kuzatilgan. Nanotubalar havoda T = 400 ° S da (qo'rg'oshin erish nuqtasidan yuqori) 30 daqiqa davomida tavlandi. Elektron mikroskop yordamida olib borilgan kuzatishlar natijalari shuni ko'rsatadiki, tavlangandan so'ng nanotubkalarning bir qismi qattiq material bilan to'ldirilgan. Nanotubalarni to'ldirishning shunga o'xshash ta'siri kuchli elektron nur bilan tavlanish natijasida ochilgan quvurlar boshlarini nurlantirishda kuzatildi. Etarlicha kuchli nurlanish bilan trubaning ochiq uchi yaqinidagi material eriydi va ichkariga kiradi. Naychalar ichida qo'rg'oshin mavjudligi rentgen nurlari diffraktsiyasi va elektron spektroskopiya bilan aniqlandi. Eng nozik qo'rg'oshin simining diametri 1,5 nm edi. Kuzatishlar natijalariga ko'ra, to'ldirilgan nanotubalar soni 1% dan oshmagan.

Uglerodli nanotubalar innovatsion texnologiyalarning kelajagi hisoblanadi. 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 bo'lgan teng yonli 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 olimlar tomonidan ushbu tuzilmalarning ko'plab parallel tavsiflari mavjud turli mamlakatlar. 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 ish uglerodli materiallardan nanonaychalar va tolalar yaratish imkoniyatiga o'tgan asrning ikkinchi yarmida nazariy jihatdan ruxsat berilganligini isbotlash.

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 tartibga solsak, 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 qaratganiga 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. Demak, bir guruh yapon olimlari (T.Koyama, M. Endo, A. Oberlin) 1974-1975 yillarda olib borilgan 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 struktura va hosil bo'lish mexanizmining tavsifi bilan ichi bo'sh strukturalarning shakllanishi SSSR Fanlar akademiyasining Sibir filiali Kataliz instituti 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. U po'latning eng kuchli qotishmalaridan 5-10 baravar kuchli (Yang modulida 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 nanotubalari shaklida kondensatsiyalanadi. cho'kma. Uglerod atomlari katodda kondensatsiyalana olishi uchun reaktordagi harorat tushiriladi. Ushbu texnologiyaning qisqacha tavsifi ham nanotubulenlarni olishning murakkabligi va narxini baholashga imkon 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, tadqiqot jarayonida Escherichia coli (E-Coli) bakteriyalari bir soat davomida bir devorli uglerod nanotubalari bilan ishlov berilgan. 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 nanotublenlarning 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 ramka shaklida molekulyar tuzilishga ega bo'lib, ular olmos yoki grafitnikidan farq qiladigan xususiyatlarga ega bo'lishga imkon 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
AvtomobillarYoqilg'i tizimining qismlari va yonilg'i liniyalari (ulagichlar, nasos qismlari, o-ringlar, quvurlar), tashqi tana qismlari elektrobo'yoq uchun (bamperlar, oyna korpuslari, yonilg'i bakining qopqoqlari)Uglerod qora bilan solishtirganda xususiyatlarning yaxshilangan muvozanati, katta qismlar uchun qayta ishlanishi, deformatsiyaga chidamliligi
ElektronikaTexnologik asboblar va uskunalar, gofret kasetlari, konveyer lentalari, orqa panellar, toza xona jihozlariAralashmalarning 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'llanilmoqda. Bu uglerod nanotubalarining xossalari va xususiyatlarini batafsilroq o'rganish, shuningdek, materialni keng miqyosda ishlab chiqarishni yo'lga qo'yish uchun zarurdir, chunki u hozirda bozorda juda 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 kompyuter uskunalarini ishlab chiqarishga yordam beradi, lekin shu bilan birga, elektron hisoblash mashinalarining texnik xususiyatlari yo'qolmaydi, balki oshadi. Kompyuter texnologiyalari va elektronika sanoatini rivojlantirishda uglerod nanotubalaridan foydalanish ko'p marta ustun bo'lgan uskunalar ishlab chiqarishga erishishga imkon 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'rsatishi, bu materialning tibbiyotda qo'llanilishini 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 uglevodorodlarni o'z ichiga olgan katalizatorlar yordamida piroliz qilish orqali olinadi. faol komponentlar Fe, Co, Ni, Mo, Mn va ularning birikmalari, shuningdek Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 tashuvchilar sifatida. 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 guruhi metallari asosidagi metall katalizatorlar ishtirokida uglevodorodlar yoki uglerod oksidi piroliziga asoslangan usullar qo'llaniladi [T.W.Ebbesen // Uglerod nanotubalari: Tayyorlanishi va xususiyatlari, CRC Press, 1997, p.139- 161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Uglerod nanotube materiallarining sintezi va tavsifi (sharh) // Kimyoviy texnologiya va metallurgiya universiteti jurnali, 2006 yil, 4-son, 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 ishlab chiqarish 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 mt.% ni tashkil qiladi, chunki katalizatorning metall zarralari uglerod nanonaychaning ichki bo'shlig'iga o'ralgan va reagentlar kirishi mumkin emas.

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 polimer matritsasida uglerod nanotubalarining yanada bir tekis tarqalishini ta'minlaydi, bu esa yaxshiroq olish uchun zarurdir. kompozit materiallar. 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 Fe, Co, Ni, Mo, Mn va faol komponentlar sifatida 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 kislota eritmasida qaynatish, keyinchalik suv bilan yuvish bilan amalga oshiriladigan tashuvchilar, kislota bilan ishlov berishdan so'ng, isitish yuqori toza argon oqimida harorat gradienti bo'lgan pechda 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 (V.L.Kuznetsov, Yu.V. Butenko, V.I.Zaykovskiy va A.L. Chuvilin // Uglerodni qayta taqsimlash jarayonlari. nanokarbonlarda // Karbon 42 (2004) pp.1057-1061; A.S. 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, M.J.Schuiz // Uglerodli nanotube materiallarining sintezi va tavsifi (sharh) // Kimyoviy texnologiya va metallurgiya universiteti jurnali, 2006, № 4, v.41, p.377-390; J. V. Seo; A. Magrez; M. Milas; K. Li, V Lukovac, L. Forro // Katalitik tarzda o'stirilgan uglerod nanotubalari: sintezdan toksiklikkacha // Jurnal. Fizika 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, hatto MWCNTlar ham 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 to'plar 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 yuzasi bilan solishtirganda kalsinatsiyadan 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 joyidagi 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 isitilishi bilan farqlanadi, bu erda ish joyidagi harorat 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 nisbati taxminan 2-3 bo'lgan 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 izlar izlar
Shunday qilib 0.0627 izlar izlar izlar
Al 0.0050 izlar izlar izlar
Sa izlar 0.0028 0.0014 izlar
Ni 0.0004 izlar izlar izlar
Si 0.0083 0.0076 izlar Yo'q
Ti Yo'q 0.0033 izlar izlar
S izlar Yo'q Yo'q Yo'q
Cl 0.111 Yo'q Yo'q Yo'q
sn 0.001 0.001 izlar izlar
Ba Yo'q Yo'q Yo'q Yo'q
Cu 0.001 0.001 izlar izlar
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 izlar izlar izlar
Al 0.0048 izlar izlar izlar
Sa 0.0035 0.005 0.0036 izlar
Ni 0.0003 izlar izlar izlar
Si 0.0080 0.0169 0.0098 izlar
Ti Yo'q izlar 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 izlar izlar izlar
Ba 0.008 Yo'q Yo'q Yo'q
Cu izlar izlar izlar izlar
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, MWCNT strukturasidagi nuqsonlar ko'rinishini ko'rsatadi, ular har biriga joylashtirilgan grafen qatlamlaridan iborat silindrsimon shakllanishlardir. boshqasi, yuqori o'ng tomonda yuqori aniqlikdagi TEM tasvirida ko'rsatiladi.

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.

xrom angidridni o'z ichiga olgan sulfat kislotada. Biroq, nanoolmos granulalarining katta qismini oldindan olib tashlash kerak. Adabiyotlar 1. Spitsyn B.V., Davidson J.L., Gradoboev M.N., Galushko T.B., Serebryakova N.V., Karpuxina T.A., Kulakova I.I., Melnik N.N. Detonatsion nanoolmosning modifikatsiyasiga kirish // Olmos va tegishli materiallar, 2006, jild. 15, p. 296-299 2. Pat. 5-10695, Yaponiya (A), Xrom qoplama eritmasi, Tokio Daiyamondo Kogu Seisakusho K.K., 27.04.1993 3. Dolmatov, V.Yu. Detonatsiya sintezining o'ta nozik olmoslari kompozit metall olmosli elektrokaplama qoplamalarining yangi sinfining asosi sifatida / V.Yu.Sedimentatsiya - asosiy tamoyillar // Spec. Kimyo., 1991, jild. 11, № 6, bet. 426-430 UDC 661,66 N.Yu. Biryukova1, A.N.Kovalenko1, S.Yu. Tsareva1, L.D. Isxakova2, E.V. Jarikov 1 Rossiya kimyo-texnologiya universiteti. DI. Mendeleyev, Moskva, Rossiya Optik tolali tadqiqot markazi RAS, Moskva, Rossiya 1 2 KATALITIK BENZOL PIROLIZI YO‘LIDA ISHLAB CHIQARILGAN UGLAROD NANOTUBALARNI TOZALASH Ushbu ishda ko‘p devorli nanotubalarni fizik-kimyoviy usullar bilan tozalash va ajratish bo‘yicha eksperimental tadqiqotlar natijalari keltirilgan. Har bir bosqichning samaradorligi piroliz mahsulotlarining morfologik xususiyatlarini o'rganish orqali nazorat qilinadi. Maqolada ko'p qatlamli uglerod nanotubalarini fizik va kimyoviy usullar bilan tozalash va ajratish bo'yicha eksperimental tadqiqotlar natijalari keltirilgan. Tozalashning har bir bosqichining samaradorligi piroliz mahsulotlarining morfologik xususiyatlarining o'zgarishi bilan nazorat qilindi. Uglevodorodlarni katalitik piroliz usuli uglerod nanotubalarini sintez qilishning istiqbolli usullaridan biridir. Usul sintez parametrlarini mos ravishda tashkil etgan holda bir qatlamli, ko'p qatlamli nanotubalarni, uglerod nanostrukturalarining yo'naltirilgan massivlarini olish imkonini beradi. Shu bilan birga, tarkibida uglerodli birikmalarni piroliz qilish natijasida olingan mahsulot nanonaychalar bilan birga katalizator zarralari, amorf uglerod, fulleren va boshqalar kabi katta miqdordagi aralashmalarni o'z ichiga oladi. Ushbu aralashmalarni olib tashlash uchun fizik usullar (tsentrifugalash, ultratovush tozalash, filtrlash) odatda kimyoviy (yuqori haroratda gazsimon yoki suyuq muhitda oksidlanish) bilan birgalikda qo'llaniladi. Ishda ko'p qatlamli nanotubalarni qo'shimcha mahsulotlardan tozalash va ajratishning kombinatsiyalangan usuli ishlab chiqilgan va turli reagentlarning samaradorligi aniqlangan. Dastlabki yotqizish prekatalizator sifatida temir pentakarbonildan foydalangan holda benzolning katalitik pirolizi orqali olingan. Kon xlorid, sulfat va nitrat kislotalar bilan ishlov berilgan. Nanotube agregatlari ultratovush yordamida 22 kHz chastotada sindirilgan. Konni fraksiyalarga ajratish uchun santrifüjlash (3000 rpm, ishlov berish vaqti 1 soatgacha) ishlatilgan. Kislota bilan ishlov berishdan tashqari, USP ECH I da nanotubalarni termal ishlov berish kimyo va kimyoviy texnologiyada ham qo'llanilgan. XXI jild. 2007. No 8 (76) 56 havoda. Eng yaxshi tozalashga erishish uchun turli usullarning optimal ketma-ketligi o'rnatildi. Piroliz mahsulotlarining morfologik xarakteristikalari va tozalash darajasi skanerlash elektron mikroskopiyasi, Raman spektroskopiyasi va rentgen fazali tahlillari bilan nazorat qilindi. UDC 541.1 E.N. Golubina, N.F. Kizim, V.V. Moskalenko nomidagi Rossiya kimyo-texnologiya universitetining Novomoskovsk instituti. DI. Mendeleeva, Novomoskovsk, Rossiya NANOSTUZILIKLARNING TIZIMDAGI EKSTRAKSIYA XUSUSIYATLARIGA TA’SIRI SUV – ErCl3 – D2EHPA – GEPTAN KINETIKASI Ekstraksiya qilingan Er(III) ning kinetik xususiyati D2EHPA eritmasi konsentratsiyali konsentratsiyali geptan maydonida (ki) yuqori tezlikda. Ekstraksiya jarayonida nanostrukturalarning muhim qismida jarayonning boshida uning dinamik oraliq qatlamlarda to‘planishi, element va erituvchi nisbati konsentratsiyasidan dinamik oraliq qatlamlarning ko‘rib chiqilgan qalinligiga qarab ekstremal joylashishi ko‘rsatilgan. Geptandagi D2EHPA eritmalari bilan erbiy (III) ni olishning kinetik xususiyatlari (kinetik egri chiziqlardagi kontsentratsion chizmalar, yuqori tezlik jarayon boshida uning DMSda to‘planishi, kuzatilayotgan DMS qalinligining element va ekstraktor konsentrasiyalari nisbatiga bog‘liqligining ekstremal tabiati) ekstraksiya jarayonida nanostrukturalarning muhim rol o‘ynashidan dalolat beradi. Ma'lumki, ekstraksiya tizimlarida turli xil nanoob'ektlar paydo bo'lishi mumkin: adsorbsion qatlamlar, mitsellalar, mitselyar jellar, pufakchalar, polimer gellar, kristall jellar, mikroemulsiya, nanodispersiya, emulsiya. Xususan, La(OH)3-D2EHPA-dekan-suv tizimida fazoviy tuzilishi diametri ≈0,2 va uzunligi 2-3 mkm bo'lgan novda shaklidagi zarrachalardan qurilgan organogel hosil bo'ladi. D2EHPA ning natriy tuzi suv yo'qligida radiusi 53 nm bo'lgan teskari silindrsimon mitsellalarni hosil qiladi. DA ko'ndalang kesim misellar NaD2EHP ning uchta molekulasi bo'lib, qutbli guruhlar markazga, uglevodorod zanjirlari esa organik erituvchi tomon yo'naltirilgan. Bunday panjaraning holati elementning tabiatiga bog'liq. Co(D2EHP)2 holatida agregatsiya soni 225 dan ortiq bo'lgan makromolekulyar tuzilmalar hosil bo'ladi.Ni(D2EHP)2 (ehtimol Ni(D2EHP)2⋅2H2O) da agregatsiya soni ≈ bo'lgan agregatlar hosil bo'ladi. 5.2 paydo bo'ladi. Muayyan sharoitlarda gidrodinamik radiusi ≈15 nm bo'lgan polimer molekulyar tuzilmalarning shakllanishi mumkin. Lantanni D2EHPA eritmalari bilan ekstraktsiyalash jarayonida lantan alkilfosfat monoqatlamining egiluvchanligining fazalar chegarasida pasayishiga olib keladigan yirik va strukturaviy qattiq lantan alkilfosfat hosil bo'ladi. Nanostrukturalarning shakllanishi tizimning muvozanat xususiyatlariga ham, jarayonning kinetikasiga ham ta'sir qiladi. Noyob tuproq elementlarini qazib olish ko'plab fazalararo jarayonlarning yuzaga kelishi bilan murakkablashadi, masalan, o'z-o'zidan sirt konvektsiyasining (SSC) paydo bo'lishi va rivojlanishi, strukturaviy-mexanik to'siqning shakllanishi, fazaviy dispersiya va boshqalar. Natijada kimyoviy reaksiya D2EGFK va element o'rtasida kam eriydigan tuz hosil bo'ladi, bu "kichikdan kattaroq" mexanizmga muvofiq nanostrukturalarning shakllanishiga olib keladi. Ushbu ishning maqsadi geptandagi D2EHPA eritmalari bilan erbiy (III) ekstraktsiyasining kinetik xususiyatlariga nanostrukturalarning ta'sirini aniqlash edi. U S P E X I kimyo va kimyoviy texnologiya. XXI jild. 2007 yil. 8 (76) 57-son