«Углеродное будущее»

Попробуем рассказать Вам об этом наиболее понятным языком.

Одной из самой интенсивно развивающейся областью в нанотехнологиях является производство и исследование нанотрубок. Что же такое нанотрубка?

Если смотреть на углеродную нанотрубку в микроскоп с увеличением в миллион раз, то можно наблюдать полый цилиндр, поверхность которого формируется множеством шестиугольных многоугольников. На самой вершине равностороннего многоугольника располагается атом углерода. Углеродная нанотрубка визуально напоминает лист бумаги свернутый в трубку, только вместо бумажной поверхности следует рассматривать графитовую (точнее – графеновую) плоскость. В научной среде цилиндрическую плоскость трубки принято называть графеновой. Толщина графеновой плоскости не превышает один атом углерода.

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой молекулы цилиндрической формы, которые состоят из свернутых листов атомов углерода (графена). Они могут быть однослойными (ОСУНТ) диаметром менее 1 нанометра (нм) или многостенными (МСУНТ), состоящие из нескольких связанных между собой нанотрубок, диаметр которых достигает более 100 нм. Их длина может достигать нескольких микрометров и даже миллиметров.

Углеродная нанотрубка представляет собой чрезвычайно маленькую цилиндрическую структуру, изготовленную из графена. Графен представляет собой один слой атомов углерода, плотно связанных в двумерной гексагональной решетке.

Углеродные нанотрубки - интригующий аллотроп углерода. У них есть множество уникальных, никогда не встречавшихся ранее свойств. Например, они могут быть плотными и сильными, будучи тоньше человеческого волоса.

Они могут быть изготовлены различной длины в соответствии с требованиями. Эти конструкции невероятно легкие, стабильные и обладают потенциалом для разработки удивительных материалов будущего. На самом деле, они считаются лучшим кандидатом на материал для строительства космического лифта.

Углеродные нанотрубки могут быть классифицированы на основе их структуры –

1) Одностенные нанотрубки (ОСНТ): имеют диаметры в диапазоне один нанометр.

2) Многостенные нанотрубки (MWNT): состоит из нескольких концентрически связанных углеродных нанотрубок. Они могут быть длиной в несколько микрометров (или даже миллиметров) с диаметром более 100 нанометров.

Хотя история углеродных нанотрубок восходит к началу 1950-х годов (когда два российских ученых опубликовали четкие изображения углеродных трубок с 50 нанометрами), большая часть научной и популярной литературы посвящена японскому физику Сумио Иидзиме за открытие полого нанометрового размера трубы, состоящие из графитового углерода. В 1991 году он написал статью, описывающую многостенные углеродные нанотрубки, что послужило основанием для интенсивных исследований углеродных наноструктур.

Углеродные нанотрубки могут быть изготовлены несколькими способами. Тремя наиболее распространенными процедурами являются разряд, лазерная абляция и химическое осаждение из паровой фазы.

Процесс может быть либо плазменным, либо чисто каталитическим. Последнее требует более высоких температур (до 750 ° C), чем процесс с плазменной поддержкой (200-500 ° C).

Углеродные нанотрубки (пустотелые «цилиндры» со стенками из атомов углерода) в перспективе могут иметь множество применений в самых разнообразных технологиях. Например, волокна и тросы из углеродных нанотрубок имеют (согласно теоретическим расчетам) механическую прочность на 2 порядка больше, чем такие же стальные конструкции. Но, обладая такой большой прочностью, они имеют плотность на порядок меньше, чем у той же стали. Также углеродные трубки нано можно с успехом использовать в электромеханических системах нового типа в качестве транзисторов, нанодиодов, соединительных наноэлектропроводов и микроэлектрических двигателей.

Наиболее перспективными являются направления использования нанотрубок, связанные с разработками в различных разделах современной электроники.

Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

Оптические применения: дисплеи, светодиоды. Нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

Трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.

Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные

За последние два десятилетия цены на углеродные нанотрубки снизились с 1500 долларов за грамм до 2 долларов за грамм. Это открыло широкий спектр применений, особенно в области материаловедения и электроники. В настоящее время используются плоские дисплеи, сенсорные устройства, сканирующие зондовые микроскопы, ветряные турбины, морские краски, велосипедные компоненты и спортивное оборудование, такое как хоккейные клюшки, лыжи и бейсбольные биты.

В 2013 году компания OCSiAl запустила первую промышленную установку синтеза нанотрубок в Академгородке Новосибирска. В 2014 году продукция компании под брендом TUBALL вышла на рынок. Главное производство и научно-исследовательская база компании, а также центр прототипирования материалов и технологий на базе графеновых нанотрубок находятся в Новосибирске. В 2019 году второй такой центр запущен в Шанхае. Третий открыт в Люксембурге в 2020 году.

Какими же качествами они обладают:

– небольшая нить из углеродных нанотрубок диаметром 1 мм выдерживает груз весом 20 тонн, что в сотни миллиардов раз больше ее собственной массы,

– высокая огнестойкость,

– рекордно высокая удельная поверхность – до 2 600 м2/г,

– высокая гибкость. Их можно растягивать, сжимать, скручивать и пр., не опасаясь при этом повредить их каким-либо образом.

– высокая устойчивость к изнашиваемости. Многоразовая деформация (тысячи и десятки тысяч циклов скручивания/раскручивания, сжатия/растяжения в минуту)

– повышенная электро- и теплопроводность. Проводимость меди, как лучшего металлического проводника таблицы Д.И. Менделеева, в 1000 раз хуже, чем у углеродных нанотрубок.

ловят радиоволны частотой от 40 до 400 МГц (обычные АМ и FМ волны), а затем усиливают и передают их,

– гидрофобны. Отталкивают воду. Ну и ещё многое другое.

Современное производство находится в Академгородке, это идеальное место для исследований. Там синтезирует 98% трубок в мире.

Фуллерены и нанотрубки структурно уникальны и, строго говоря, не относятся ни к какой из известных форм материи: твердой, кристаллической, поверхностной, молекулярной, кластерной и т. д.(Сумио Иижима, 1994г.)