|
Cleantech in Russia 2010 Подробнее об отчете |
Считается, что первооткрывателем углеродных нанотрубок является сотрудник японской корпорации NEC Сумио Ииджима, который в 1991 году наблюдал структуры многослойных нанотрубок при изучении под электронным микроскопом осадков, которые образовывались в процессе синтеза молекулярных форм чистого углерода, имеющего клеточную структуру.
Основная классификация нанотрубок проводится по количеству составляющих их слоев.
Однослойные нанотрубки (single-walled nanotubes, SWNTs) – простейший вид нанотрубок. Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во много тысяч раз больше. Структуру однослойных нанотрубок можно представить как "обертывание" гексагональной сетки графита (графена), основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода, в бесшовный цилиндр. Верхние концы трубок закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половины молекулы фуллерена.
Многослойные нанотрубки (multi-walled nanotubes, MWNTs) состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние между слоями равно 0.34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите.
Существуют две модели, использующиеся для описания их структуры. Многослойные нанотрубки могут представлять собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемая "матрешка"). В другом случае, один "лист" графена оборачивается несколько раз вокруг себя, что похоже на прокрутку пергамента или газеты (модель "пергамента").
Рисунок 3. Графическое изображение многослойной нанотрубки (модель "матрешка")
Методы синтеза Наиболее распространенными методами синтеза нанотрубок являются электродуговой метод, лазерная абляция и химическое осаждение из газовой фазы (CVD).
Дуговой разряд (Arc discharge) - сущность этого метода состоит в получении углеродных нанотрубок в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия, на технологических установках для получения фуллеренов. Однако здесь используются другие режимы горения дуги: низкие плотности тока дугового разряда, более высокое давление гелия (~ 500 Торр), катоды большего диаметра.
Для увеличения выхода нанотрубок в продуктах распыления в графитовый стержень вводится катализатор (смеси металлов группы железа), изменяется давление инертного газа и режима распыления.
В катодном осадке содержание нанотрубок достигает 60%. Образующиеся нанотрубки длиной до 40 мкм растут от катода перпендикулярно его поверхности и объединяются в цилиндрические пучки диаметром около 50 км.
Лазерная абляция (Laser ablation)
Этот метод был изобретен Ричардом Смалли и сотрудниками "Rice University" и основан на испарении графитовой мишени в высокотемпературной реакторе. Нанотрубки появляются на охлажденной поверхности реактора как конденсат испарения графита. Водоохлаждаемая поверхность может быть включена в систему сбора нанотрубок.
Выход продукта в этом методе – около 70%. С его помощью получают преимущественно однослойные углеродные нанотрубки с контролируемым посредством температуры реакции диаметром. Однако стоимость данного метода намного дороже остальных.
Химическое осаждение из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD)Метод каталитического осаждения паров углерода был выявлен еще в 1959 году, однако до 1993 года никто не предполагал, что в этом процессе можно получить нанотрубки.
В процессе этого метода готовится подложка со слоем катализатора – частиц металла (чаще всего никеля, кобальта, железа или их комбинаций). Диаметр нанотрубок, выращенных таким способом, зависит от размера металлических частиц.
Подложка нагревается примерно до 700 оС. Для инициации роста нанотрубок в реактор вводят два типа газов: технологический газ (например, аммиак, азот, водород и т.д.) и углеродосодержащий газ (ацитилен, этилен, этанол, метан и т.д.). Нанотрубки начинают расти на участках металлических катализаторов.
Этот механизм является наиболее распространенным коммерческим методом производства углеродных нанотрубок. Среди других методов получения нанотрубок CVD наиболее перспективен в промышленных масштабах благодаря наилучшему соотношению в плане цены на единицу продукции. Кроме того, он позволяет получать вертикально ориентированные нанотрубки на желаемом субстрате без дополнительного сбора, а также контролировать их рост посредством катализатора.
Углеродные нанотрубки вместе с фуллеренами и мезопористыми углеродными структурами образуют новый класс углеродных наноматериалов, или углеродных каркасных структур, со свойствами, которые значительно отличаются от других форм углерода, таких как графит и алмаз. Однако наиболее перспективными их них являются именно нанотрубки.
Благодаря своим уникальным свойствам (высокая прочность (63 ГПа), сверхпроводимость, капиллярные, оптические, магнитные свойства и т.д.) углеродные нанотрубки могут найти применение в огромном количестве областей:
добавки в полимеры;
Более чем десятилетие углеродные нанотрубки, несмотря на свои впечатляющие эксплуатационные свойства, использовались, в большинстве случаев, для научных исследований. Эти материалы не смогли пока занять прочные позиции на рынке, в основном, из-за проблем с их масштабным производством и неконкурентоспособными ценами (средняя цена нанотрубок в настоящее время составляет около 117 долл./г).
В настоящее время главными областями применения углеродных нанотрубок являются спортивные товары (углеродные нанотрубки входят в состав композитов, из которых они изготавливаются), электроника и автомобилестроение (здесь нанотрубки используются для придания полимерам антистатических и проводящих свойств).
В перспективе электроника будет продолжать доминировать среди областей применения нанотрубок, однако большие возможности также связаны с медицинским и энергетическим рынками.
Таким образом, углеродные нанотрубки играют значительную роль в зарождающейся нанотехнологической индустрии. По прогнозам аналитиков, рынок УНТ, который характеризовался умеренным ростом до 2004-2005 годов, будет значительными темпами расширяться в ближайшие годы.
Ожидается также увеличение компаниями производственных мощностей и рост производства, что соответственно приведет к снижению цены, а, следовательно, доступности УНТ. Все это вместе с ростом спроса обеспечит интенсивное использование углеродных нанотрубок в большом количестве разнообразных отраслей.
Проблемы применения углеродных нанотрубок. Недавние исследования подтвердили опасность нанотрубок для человеческих клеток, что ставит под вопрос их использование в медицине. Впервые ученым из Кембриджского университета удалось наблюдать проникновение и перемещение нанотрубок внутри человеческих клеток и определить, может ли воздействие наноматериалов вызвать смерть клетки.
Кроме того, некоторые эксперты считают, что исследователи недооценивают риски, связанные с массовым производством углеродных нанотрубок. Согласно недавнему выступлению ученых из Массачусетского Технологического Института (MIT) на заседании Американского Химического Общества, (American Chemical Society), интенсивное производство этих материалов может серьезно повлиять на мировую экологию.
Детальный анализ самого распространенного метода производства нанотрубок, химического осаждения в паровой фазе (CVD), показал наличие как минимум 15 ароматических углеводородов, в том числе были обнаружены 4 токсичных полицикличных углеродных соединения. Наиболее вредным в составе побочных продуктов производства был признан полициклический бензaпирен, широко известный канцероген, действующий на ткани человека. Другие составляющие представляют собой прямую угрозу озоновому слою планеты.
Поэтому на встрече Американского Химического Общества ученые предложили заняться поиском более экологически чистого метода производства нанотрубок. Либо же производителям придется серьезно "очищать" последствия CVD-техпроцесса, что, естественно, вызовет увеличение стоимости нанотрубок.
|
|
|
Подписаться на еженедельную рассылку
|
| Строительный мусор будет пущен в дело | 10.12.2007 | |
| Углеродные нанотрубки: виды и области применения | 10.12.2007 | |
| На электромобили пересадят работников чикагского Департамента водных ресурсов | 07.12.2007 |
| ИАА Cleandex выступает информационным спонсором: | ||
 |
 |
 |
| Полный список событий, где ИАА Cleandex выступает партнером | ||