Южный Федеральный Университет
Углеродные нанотрубки
Выполнил:
Студент 3 курса 10 группы
Присталенко Антон
Ростов-на-Дону
Углеродная Нанотрубка сокр., УНТ— полая цилиндрическая структура диаметром от десятых до нескольких десятков нм и длиной от одного до нескольких сотен микрометров и более, образованная атомами углерода и представляющая собой свернутую в цил
Нанотрубки — одно из самых выдающихся открытий современной науки.
В специальной литературе приводится немало примеров уникальности их свойств. Нанотрубки в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса, в 1000 раз прочнее стали и намного легче пластика. Химическая стабильность, механическая прочность и меняющаяся (в зависимости от заданных параметров) электропроводность нанотрубок определяют широкий спектр их практического применения в наномасштабных материаловедении, электронике и прикладной химии.
Ученым из лаборатории IBM удалось, на основе нанотрубок, создать микросхему, которая в 500 раз меньше аналогичной кремниевой. Исследования ведущих специалистов в данной области показывают, что потенциал кремния, как основы интегральных схем будет исчерпан в течение ближайших 10–20 лет. Материалы из нанотрубок способны обеспечить новому поколению компьютеров практически неограниченные память и быстродействие.
История открытия
Впервые УНТ систематически описаны Сумио Ииджимой (Sumio Iijima, корпорация NEC), обнаружившим их в 1991 г. как побочный продукт синтеза фуллерена C60 [1], и, практически одновременно с ним, группой Л.А. Чернозатонского [2]. Упоминания о существовании схожих по морфологии необычных форм углерода встречались и раньше [3, 4], однако дальнейшего развития эти работы тогда не получили.
Измерения, выполненные с помощью электронного микроскопа, показали, что диаметр таких нитей не превышает нескольких нанометров, а длина от одного до нескольких микрон. Сумев разрезать тонкую трубочку вдоль продольной оси, ученые обнаружили, что она состоит из одного или нескольких слоев, каждый из которых представляет собой гексагональную сетку графита, основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода. Во всех случаях расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Как правило, верхние концы трубочек закрыты многослойными полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шестиугольников и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена.
Получение углеродных нанотрубок
В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда (см. схему на рис. 1). Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см2. В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде.
Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.
Затем был предложен метод лазерной абляции (см. импульсное лазерное напыление) графита в присутствии частиц металла (кобальта, никеля), выступающих в качестве катализатора. Этот способ позволил получать преимущественно одностенные нанотрубки со сравнительно узким распределением по диаметрам и большим выходом.
В последнее время наиболее активно развиваются подходы, основанные на осаждении из газовой фазы, которые считаются наиболее коммерчески перспективными. Они базируются на термическом разложении углерод-содержащих газов (монооксида углерода, низших углеводородов и спиртов или более сложных молекул) на каталитических наночастицах металлов, приводящем к зарождению нанотрубок и, в дальнейшем, их росту «с основания».
При использовании осаждения из плазмы направление роста нанотрубок может быть ориентировано с помощью электрического поля. С помощью осаждения из газовой фазы получают плотные линейно ориентированные массивы нанотрубок толщиной до миллиметров с возможностью контроля типа образующихся нанотрубок.
Весьма актуальным является вопрос разделения нанотрубок, поскольку для конкретных применений могут быть нужны нанотрубки определенного типа (например, металлические или полупроводниковые) и не слипающиеся в пучки, которые могут быть достаточно прочно связаны за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий по всей длине трубок.