Nanotuburi de carbon. Dispozitiv și aplicație. Particularități. Nanotuburi de carbon Nanotuburi de carbon

Facultatea de Fizică

Catedra de Fizica Semiconductorilor si Optoelectronica

S. M. Plankina

"Nanotuburi de carbon"

Descrierea lucrărilor de laborator pentru curs

„Materiale și metode de nanotehnologie”

Nijni Novgorod 2006

Scopul acestei lucrări: să se familiarizeze cu proprietățile, structura și tehnologia producerii nanotuburilor de carbon și să studieze structura acestora folosind microscopia electronică de transmisie.

1. Introducere

Până în 1985, carbonul era cunoscut că există în natură în două stări alotropice: o formă 3D (structură de diamant) și o formă 2D stratificată (structură de grafit). În grafit, fiecare strat este format dintr-o rețea de hexagoane cu o distanță între cei mai apropiați vecini d c - c = 0,142 nm. Straturile sunt situate în secvența ABAB... (Fig. 1), unde atomii I se află direct deasupra atomilor din planurile adiacente, iar atomii II se află deasupra centrelor hexagoanelor din zonele adiacente. Structura cristalografică rezultată este prezentată în Fig. 1a, unde a 1 și a 2 sunt vectori unitari în planul grafitului, c este un vector unitar perpendicular pe planul hexagonal. Distanța dintre planele din rețea este de 0,337 nm.

Orez. 1. (a) Structura cristalografică a grafitului. Rețeaua este definită de vectorii unitari a 1 , a 2 și c. (b) Zona Brillouin corespunzătoare.

Deoarece distanța dintre straturi este mai mare decât distanța în hexagoane, grafitul poate fi aproximat ca material 2D. Calculul structurii benzilor arată degenerarea benzilor în punctul K din zona Brillouin (vezi Fig. 1b). Acest lucru este deosebit de interesant datorită faptului că nivelul Fermi traversează acest punct de degenerare, care caracterizează acest material ca un semiconductor cu un decalaj de energie de dispariție la T→0. Dacă interacțiunile interplanare sunt luate în considerare în calcule, atunci în structura de bandă are loc o tranziție de la un semiconductor la un semimetal din cauza suprapunerii benzilor de energie.

Fulerenele, o formă 0D formată din 60 de atomi de carbon, au fost descoperite în 1985 de Harold Kroto și Richard Smalley. Această descoperire a fost distinsă cu Premiul Nobel pentru Chimie în 1996. În 1991, Iijima a descoperit o nouă formă 1D de carbon - formațiuni tubulare alungite de carbon numite „nanotuburi”. Dezvoltarea de către Kretschmer și Huffman a tehnologiei de producere a acestora în cantități macroscopice a marcat începutul studiilor sistematice ale structurilor de suprafață ale carbonului. Elementul principal al unor astfel de structuri este un strat de grafit - o suprafață căptușită cu pentagoane regulate, hexagoane și heptagoane (pentagoane, hexagoane și heptagoane) cu atomi de carbon localizați la vârfuri. În cazul fulerenelor, o astfel de suprafață are o formă sferică sau sferoidă închisă (Fig. 2), fiecare atom este conectat la 3 vecini, iar legătura este sp 2. Cea mai comună moleculă de fullerenă C 60 este formată din 20 de hexagoane și 12 pentagoane. Dimensiunea sa transversală este de 0,714 nm. În anumite condiții, moleculele C60 pot fi ordonate și pot forma un cristal molecular. În anumite condiții la temperatura camerei, moleculele C60 pot fi ordonate și formează cristale moleculare de culoare roșiatică cu o rețea cubică centrată pe față, al cărei parametru este de 1,41 nm.

Fig.2. Molecula C 60.

2. Structura nanotuburilor de carbon

2.1 Unghiul de chiralitate și diametrul nanotuburilor

Nanotuburile de carbon sunt structuri extinse formate din straturi de grafit laminate într-un tub cu un singur perete (SWNT) sau cu mai mulți pereți (MWNT). Cel mai mic diametru cunoscut al unui nanotub este de 0,714 nm, care este diametrul unei molecule de fullerenă C60. Distanța dintre straturi este aproape întotdeauna de 0,34 nm, ceea ce corespunde distanței dintre straturi din grafit. Lungimea unor astfel de formațiuni ajunge la zeci de microni și este cu câteva ordine de mărime mai mare decât diametrul lor (Fig. 3). Nanotuburile pot fi deschise sau se termină în emisfere, asemănând cu o jumătate de moleculă de fuleren.

Proprietățile unui nanotub sunt determinate de unghiul de orientare al planului de grafit față de axa tubului. Figura 3 prezintă două structuri posibile extrem de simetrice ale nanotuburilor – zigzag și fotoliu. Dar, în practică, majoritatea nanotuburilor nu au forme atât de simetrice, de exemplu. în ele, hexagoanele sunt răsucite în spirală în jurul axei țevii. Aceste structuri sunt numite chirale.

Fig.3. Modele idealizate de nanotuburi cu un singur perete cu orientări în zigzag (a) și fotoliu (b).

Orez. 4. Nanotuburile de carbon sunt formate prin răsucirea planurilor de grafit într-un cilindru, conectând punctul A la A." Unghiul de chiralitate este definit ca q - (a). Tub de tip scaun, cu h = (4.4) - (b). Pasul P depinde de unghiul q - (c).

Există un număr limitat de scheme care pot fi folosite pentru a construi un nanotub dintr-un strat de grafit. Luați în considerare punctele A și A" din Fig. 4a. Vectorul care leagă A și A" este definit ca c h =na 1 +ma 2, unde n, m sunt numere reale, a 1 și 2 sunt vectori unitari în planul grafitului. Tubul este format prin rularea stratului de grafit și conectarea punctelor A și A." Apoi este determinat în mod unic de vectorul c h. Figura 5 prezintă o schemă de indexare pentru vectorul reticulat c h.

Indicii de chiralitate ai unui tub cu un singur strat determină în mod unic diametrul acestuia:

unde este constanta rețelei. Relația dintre indici și unghiul de chiralitate este dată de relația:

Fig.5. Schema de indexare a vectorului lattice c h .

Nanotuburile în zigzag sunt definite de unghi Q =0° , care corespunde vectorului (n, m)= (n, 0). În ele, legăturile C-C sunt paralele cu axa tubului (Fig. 3, a).

Structura fotoliului se caracterizează printr-un unghi Q = ± 30°, corespunzător vectorului (n, m) = (2n, -n) sau (n, n). Acest grup de tuburi va avea legături C-C perpendiculare pe axa tubului (Fig. 3b și 4b). Combinațiile rămase formează tuburi de tip chiral, cu unghiuri de 0°<<Q <30 о. Как видно из рис. 4с, шаг спирали Р зависит от угла Q .

2.2 Structura nanotuburilor multipereți

Nanotuburile cu pereți multipli diferă de nanotuburile cu un singur perete într-o varietate mult mai mare de forme și configurații. Varietatea structurilor se manifestă atât în ​​direcții longitudinale, cât și transversale. Tipuri posibile de structură transversală a nanotuburilor multipereți sunt prezentate în Fig. 6. Structura de tip „Păpușă rusă de cuibărit” (Fig. 6a) este o colecție de nanotuburi cilindrice cu un singur perete imbricate coaxial unul în celălalt. O altă variantă a acestei structuri, prezentată în Fig. 6b, este un set de prisme coaxiale imbricate una în cealaltă. În cele din urmă, ultima dintre structurile prezentate (Fig. 6c) seamănă cu un pergament. Toate structurile de mai sus sunt caracterizate de o valoare a distanței dintre straturile adiacente de grafit care este apropiată de valoarea de 0,34 nm, inerentă distanței dintre planurile adiacente de grafit cristalin. Implementarea unei anumite structuri într-o situație experimentală specifică depinde de condițiile pentru sinteza nanotuburilor.

Studiile asupra nanotuburilor cu pereți multiplu au arătat că distanțele dintre straturi pot varia de la valoarea standard de 0,34 nm la o valoare dublă de 0,68 nm. Acest lucru indică prezența defectelor în nanotuburi atunci când unul dintre straturi lipsește parțial.

O porțiune semnificativă de nanotuburi cu pereți multiplu poate avea o secțiune transversală poligonală, astfel încât zonele unei suprafețe plane să fie adiacente zonelor cu o suprafață cu curbură ridicată care conțin margini cu un grad ridicat de carbon hibridizat sp3. Aceste margini definesc suprafețele compuse din carbon sp 2 hibridizat și determină multe dintre proprietățile nanotuburilor.

Figura 6. Modele de structuri transversale ale nanotuburilor multipereți (a) - „Păpușă rusă de cuibărit”; (b) – prismă hexagonală; (c) – defilare.

Un alt tip de defecte, observate adesea pe suprafața de grafit a nanotuburilor multipereți, este asociat cu introducerea în suprafață a unui anumit număr de pentagoane sau heptagoane, care constă predominant din hexagoane. Prezența unor astfel de defecte în structura nanotuburilor duce la o încălcare a formei lor cilindrice, iar introducerea unui pentagon provoacă o îndoire convexă, în timp ce introducerea unui heptagon contribuie la apariția unei îndoituri ascuțite în formă de cot. Astfel, astfel de defecte dau naștere la apariția unor nanotuburi curbate și în formă de spirală, iar prezența spiralelor cu pas constant indică o aranjare mai mult sau mai puțin regulată a defectelor pe suprafața nanotubului. S-a descoperit că tuburile scaunului pot fi conectate la tuburile în zig-zag folosind o articulație cot care cuprinde un pentagon pe exteriorul cotului și un heptagon pe interior. Ca exemplu în Fig. Figura 7 prezintă legătura dintre tubul scaunului (5.5) și tubul în zigzag (9.0).

Orez. 7. Ilustrația „articulației cotului” dintre scaunul (5,5) și țeava în zig-zag (9,0). (a) Desen în perspectivă cu inele umbrite pentagonale și hexagonale, (b) structură proiectată pe planul de simetrie al cotului.

3. Metode de producere a nanotuburilor de carbon

3.1 Producția de grafit într-o descărcare cu arc

Metoda se bazează pe formarea de nanotuburi de carbon în timpul pulverizării termice a unui electrod de grafit în plasma unei descărcări de arc care arde într-o atmosferă de heliu. Această metodă face posibilă obținerea de nanotuburi în cantități suficiente pentru un studiu detaliat al proprietăților lor fizico-chimice.

Tubul poate fi obținut din fragmente extinse de grafit, care sunt apoi răsucite într-un cilindru. Pentru a forma fragmente extinse, sunt necesare condiții speciale de încălzire pentru grafit. Condițiile optime pentru producerea nanotuburilor sunt realizate într-o descărcare cu arc folosind grafit de electroliză ca electrozi. În fig. Figura 8 prezintă o diagramă simplificată a instalației de producere a fulerenelor și nanotuburilor.

Pulverizarea grafitului se realizează prin trecerea unui curent prin electrozi cu o frecvență de 60 Hz, valoarea curentului este de la 100 la 200 A, tensiunea este de 10-20 V. Prin reglarea tensiunii arcului, este posibil să asigurați-vă că cea mai mare parte a puterii furnizate este eliberată în arc și nu în tija de grafit. Camera este umplută cu heliu la o presiune de 100 până la 500 torr. Rata de evaporare a grafitului în această instalație poate ajunge la 10 g/V. În acest caz, suprafața carcasei de cupru, răcită cu apă, este acoperită cu produsul de evaporare a grafitului, adică. funingine de grafit. Dacă pulberea rezultată este răzuită și păstrată în toluen clocotit timp de câteva ore, se obține un lichid maro închis. Când este evaporată într-un evaporator rotativ, se obține o pulbere fină, greutatea sa nu depășește 10% din greutatea funinginei de grafit originală, conține până la 10% fulerene și nanotuburi.

În metoda descrisă pentru producerea nanotuburilor, heliul joacă rolul unui gaz tampon. Atomii de heliu transportă energia eliberată atunci când fragmentele de carbon se combină. Experiența arată că presiunea optimă de heliu pentru producerea fullerenelor este în intervalul 100 torr, pentru producerea nanotuburilor - în intervalul 500 torr.

Orez. 8. Schema instalatiei de producere a fulerenelor si nanotuburilor. 1 - electrozi de grafit; 2 - autobuz de cupru răcit; 3 - carcasă de cupru, 4 - arcuri.

Dintre diferitele produse de pulverizare termică a grafitului (fulerene, nanoparticule, particule de funingine), o mică parte (câteva procente) sunt nanotuburi cu pereți multiplu, care sunt parțial atașate de suprafețele reci ale instalației și parțial depuse pe suprafață împreună cu funingine.

Nanotuburile cu un singur perete sunt formate prin adăugarea unei mici impurități de Fe, Co, Ni, Cd la anod (adică prin adăugarea de catalizatori). În plus, SWNT-urile sunt obținute prin oxidarea nanotuburilor multipereți. În scopul oxidării, nanotuburile cu pereți multiplu sunt tratate cu oxigen la încălzire moderată sau cu acid azotic la fierbere, iar în acest din urmă caz, inelele de grafit cu cinci membri sunt îndepărtate, ducând la deschiderea capetelor tuburilor. Oxidarea permite ca straturile superioare să fie îndepărtate din tubul multistrat și capetele acestuia să fie expuse. Deoarece reactivitatea nanoparticulelor este mai mare decât cea a nanotuburilor, cu distrugerea semnificativă a produsului de carbon ca urmare a oxidării, proporția de nanotuburi în partea rămasă crește.

3.2 Metoda de evaporare cu laser

O alternativă la creșterea nanotuburilor într-o descărcare cu arc este metoda de evaporare cu laser. În această metodă, SWNT-urile sunt sintetizate în principal prin evaporarea unui amestec de carbon și metale de tranziție cu un fascicul laser de la o țintă constând dintr-un aliaj metalic cu grafit. În comparație cu metoda de descărcare cu arc, evaporarea directă permite un control mai detaliat al condițiilor de creștere, operațiuni pe termen lung și producerea de nanotuburi cu randament mai mare și calitate mai bună. Principiile fundamentale care stau la baza producției de SWNT prin evaporare cu laser sunt aceleași ca și în metoda de descărcare cu arc: atomii de carbon încep să se acumuleze și să formeze un compus la locul particulelor de catalizator metalic. În configurație (Fig. 9), fasciculul laser de scanare a fost focalizat într-un punct de 6-7 mm pe o țintă care conținea metal-grafit. Ținta a fost plasată într-un tub umplut (la presiune ridicată) cu argon și încălzit la 1200 °C. Funinginea care s-a format în timpul evaporării laser a fost dusă de fluxul de argon din zona de temperatură înaltă și depusă pe un colector de cupru răcit cu apă, situat la ieșirea din conductă.

Orez. 9. Schema instalatiei de ablatie cu laser.

3.3 Depuneri chimice de vapori

Metoda de depunere chimică a vaporilor cu plasmă (PVD) se bazează pe faptul că o sursă gazoasă de carbon (cel mai adesea metan, acetilenă sau monoxid de carbon) este expusă unei surse de înaltă energie (plasmă sau bobină încălzită rezistiv) pentru a diviza moleculă într-o reacție de carbon atomic activ. Apoi, este pulverizat pe un substrat încălzit acoperit cu un catalizator (de obicei metale de tranziție din prima perioadă Fe, Co, Ni etc.), pe care se depune carbon. Nanotuburile se formează numai sub parametrii strict respectați. Reproducerea exactă a direcției de creștere a nanotuburilor și poziționarea lor la nivel de nanometru poate fi realizată numai atunci când sunt produse prin PCD catalitic. Este posibil un control precis al diametrului nanotuburilor și al ratei de creștere a acestora. În funcție de diametrul particulelor de catalizator, numai SWNT-urile sau MWNT-urile pot crește. În practică, această proprietate este utilizată pe scară largă în tehnologia de creare a sondelor pentru microscopia cu sonde de scanare. Prin stabilirea poziției catalizatorului la capătul acului cantilever de siliciu, este posibilă creșterea unui nanotub, care va îmbunătăți semnificativ reproductibilitatea caracteristicilor și rezoluția microscopului, atât în ​​timpul scanării, cât și în timpul operațiilor litografice.

De obicei, sinteza nanotuburilor folosind metoda PCO are loc în două etape: prepararea catalizatorului și creșterea efectivă a nanotuburilor. Catalizatorul este aplicat prin pulverizarea unui metal de tranziție pe suprafața substratului și apoi, folosind gravarea chimică sau recoacere, este inițiată formarea particulelor de catalizator, pe care ulterior cresc nanotuburi (Fig. 10). Temperatura în timpul sintezei nanotuburilor variază de la 600 la 900 °C.

Dintre numeroasele metode PCT, trebuie remarcată metoda pirolizei catalitice a hidrocarburilor (Fig. 10), în care este posibil să se implementeze un control flexibil și separat al condițiilor de formare a nanotuburilor.

Fierul este de obicei folosit ca catalizator, care se formează într-un mediu reducător din diverși compuși ai fierului (clorură de fier (III), salicilat de fier (III) sau pentacarbonil de fier). Un amestec de săruri de fier cu o hidrocarbură (benzen) este pulverizat în camera de reacție fie cu un curent direcționat de argon, fie folosind un pulverizator cu ultrasunete. Aerosolul rezultat cu un flux de argon intră în reactorul de cuarț. În zona cuptorului de preîncălzire, fluxul de aerosoli este încălzit la o temperatură de ~250 °C, hidrocarbura se evaporă și începe procesul de descompunere a sării care conține metal. Apoi, aerosolul intră în zona cuptorului de piroliză, unde temperatura este de 900 °C. La această temperatură, are loc procesul de formare a particulelor de catalizator de dimensiuni micro și nano, piroliza hidrocarburilor și formarea diferitelor structuri de carbon, inclusiv nanotuburi, pe particulele metalice și pereții reactorului. Apoi, fluxul de gaz, care se deplasează prin tubul de reacție, intră în zona de răcire. Produsele de piroliză sunt depuse la capătul zonei de piroliză pe o tijă de cupru răcită cu apă.

Orez. 10. Schema instalatiei de piroliza catalitica a hidrocarburilor.

4. Proprietățile nanotuburilor de carbon

Nanotuburile de carbon combină proprietățile moleculelor și ale unui solid și sunt considerate de unii cercetători a fi o stare intermediară a materiei. Rezultatele primelor studii ale nanotuburilor de carbon indică proprietățile lor neobișnuite. Unele proprietăți ale nanotuburilor cu un singur perete sunt prezentate în tabel. 1.

Proprietățile electrice ale SWNT sunt în mare măsură determinate de chiralitatea lor. Numeroase calcule teoretice oferă o regulă generală pentru determinarea tipului de conductivitate a SWNT-urilor:

tuburile cu (n, n) sunt întotdeauna metalice;

tuburile cu n – m= 3j, unde j este un număr întreg diferit de zero, sunt semiconductori cu bandă interzisă mică; iar restul sunt semiconductori cu bandgap mare.

De fapt, teoria benzilor pentru tuburi n – m = 3j dă un tip de conductivitate metalică, dar când planul este îndoit, se deschide un mic decalaj în cazul j-ului diferit de zero. Nanotuburile scaun (n, n) în formă de un singur electron rămân metalice indiferent de curbura suprafeței, care se datorează simetriei lor. Pe măsură ce raza tubului R crește, banda interzisă pentru semiconductori cu lățimi mari și mici scade conform legii 1/R și, respectiv, 1/R 2. Astfel, pentru majoritatea nanotuburilor observate experimental, decalajul cu o lățime mică, care este determinat de efectul de curbură, va fi atât de mic încât în ​​aplicații practice toate tuburile cu n – m = 3j la temperatura camerei sunt considerate metalice.

tabelul 1

Rezistența mecanică ridicată a nanotuburilor de carbon, combinată cu conductivitatea lor electrică, face posibilă utilizarea lor ca sondă în microscoapele cu sondă de scanare, ceea ce mărește rezoluția dispozitivelor de acest fel cu câteva ordine de mărime și le pune la egalitate cu o astfel de dispozitiv unic ca microscop cu ioni de câmp.

Nanotuburile au caracteristici de emisie ridicate; Densitatea curentului de emisie de câmp la o tensiune de aproximativ 500 V atinge o valoare de aproximativ 0,1 A. cm -2 la temperatura camerei. Acest lucru deschide posibilitatea de a crea o nouă generație de afișaje pe baza acestora.

Nanotuburile deschise prezintă un efect capilar și sunt capabile să atragă metale topite și alte substanțe lichide. Realizarea acestei proprietăți a nanotuburilor deschide perspectiva creării de fire conductoare cu un diametru de aproximativ un nanometru.

Utilizarea nanotuburilor în tehnologia chimică pare foarte promițătoare, ceea ce este asociat, pe de o parte, cu suprafața lor specifică mare și cu stabilitatea chimică, și pe de altă parte, cu posibilitatea de a atașa diferiți radicali la suprafața nanotuburilor, care pot servi ulterior fie ca centre catalitici, fie ca nuclee pentru a efectua diverse transformări chimice. Formarea unor structuri elicoidale orientate aleatoriu răsucite în mod repetat împreună de nanotuburi duce la apariția în interiorul materialului nanotubului a unui număr semnificativ de cavități de dimensiuni nanometrice accesibile pentru pătrunderea lichidelor sau gazelor din exterior. Ca rezultat, suprafața specifică a unui material compus din nanotuburi se dovedește a fi apropiată de valoarea corespunzătoare pentru un nanotub individual. Această valoare în cazul unui nanotub cu un singur perete este de aproximativ 600 m 2 g -1 . O suprafață specifică atât de mare a nanotuburilor deschide posibilitatea utilizării acestora ca material poros în filtre, dispozitive cu tehnologie chimică etc.

În prezent, au fost propuse diverse opțiuni pentru utilizarea nanotuburilor de carbon în senzorii de gaz, care sunt utilizați activ în ecologie, energie, medicină și agricultură. Senzorii de gaz au fost creați pe baza modificărilor de termoputere sau rezistență în timpul adsorbției moleculelor diferitelor gaze pe suprafața nanotuburilor.

5. Aplicarea nanotuburilor în electronică

Deși aplicațiile tehnologice ale nanotuburilor, bazate pe suprafața lor specifică mare, prezintă un interes aplicat semnificativ, cele mai atractive sunt acele domenii de utilizare a nanotuburilor care sunt asociate cu evoluțiile în diverse domenii ale electronicii moderne. Asemenea proprietăți ale unui nanotub, precum dimensiunea sa mică, care variază semnificativ în funcție de condițiile de sinteză, conductivitatea electrică, rezistența mecanică și stabilitatea chimică, ne permit să considerăm nanotubul ca bază pentru viitoarele elemente microelectronice.

Introducerea unei perechi pentagon - heptagon într-o structură ideală a unui nanotub cu un singur perete ca defect (ca în Fig. 7) îi schimbă chiralitatea și, în consecință, proprietățile sale electronice. Dacă luăm în considerare structura (8,0)/(7,1), atunci din calcule rezultă că un tub cu chiralitate (8,0) este un semiconductor cu o bandă interzisă de 1,2 eV, în timp ce un tub cu chiralitate ( 7 ,1) este un semimetal. Astfel, acest nanotub curbat ar trebui să reprezinte o joncțiune moleculară metal-semiconductor și ar putea fi folosit pentru a crea o diodă de redresare, unul dintre elementele de bază ale circuitelor electronice.

În mod similar, ca urmare a introducerii unui defect, pot fi obținute heterojoncțiuni semiconductor-semiconductor cu diferite benzi interzise. Astfel, nanotuburile cu defecte încorporate în ele pot sta la baza unui element semiconductor de dimensiuni record. Problema introducerii unui defect în structura ideală a unui nanotub cu un singur perete prezintă anumite dificultăți tehnice, dar ne putem aștepta ca, ca urmare a dezvoltării tehnologiei recent create pentru producerea nanotuburilor cu un singur perete, cu o anumită chiralitate, această problemă va fi rezolvat cu succes.

Pe baza nanotuburilor de carbon, a fost posibil să se creeze un tranzistor ale cărui proprietăți depășesc circuitele similare din siliciu, care este în prezent componenta principală în fabricarea microcircuitelor semiconductoare. Sursă de platină și electrozi de scurgere au fost formați pe suprafața unui substrat de siliciu de tip p sau n, acoperit anterior cu un strat de 120 nm de SiO2, iar nanotuburi cu un singur perete au fost depuse din soluție (Fig. 11).

Fig. 11. Tranzistor cu efect de câmp pe un nanotub semiconductor. Nanotubul se află pe un substrat neconductor (cuarț) în contact cu două fire ultra-subțiri, un strat de siliciu este folosit ca al treilea electrod (poartă); dependența conductivității în circuit de potențialul de poartă (b) 3.

Exercițiu

1. Familiarizați-vă cu proprietățile, structura și tehnologia producerii nanotuburilor de carbon.

2. Pregătiți un material care conține nanotuburi de carbon pentru examinare prin microscopie electronică cu transmisie.

3. Obțineți o imagine focalizată a nanotuburilor la diferite măriri. La cea mai mare rezoluție posibilă, estimați dimensiunea (lungimea și diametrul) nanotuburilor propuse. Trageți o concluzie despre natura nanotuburilor (cu un singur perete sau multipereți) și defectele observate.

Întrebări de control

1. Structura electronică a materialelor carbonice. Structura nanotuburilor cu un singur perete. Structura nanotuburilor multistrat.

2. Proprietățile nanotuburilor de carbon.

3. Parametrii de bază care determină proprietățile electrice ale nanotuburilor. Regula generală pentru determinarea tipului de conductivitate al unui nanotub cu un singur perete.

5. Domenii de aplicare ale nanotuburilor de carbon.

6. Metode de producere a nanotuburilor: metoda de descompunere termică a grafitului în descărcare cu arc, metoda evaporării laser a grafitului, metoda depunerii chimice în vapori.

Literatură

1. Harris, P. Nanotuburi de carbon și structuri aferente. Materiale noi ale secolului XXI. / P. Harris - M.: Tehnosfera, 2003.-336 p.

2. Eletsky, A. V. Nanotuburi de carbon / A. V. Eletsky // Advances in Physical Sciences. – 1997.- T 167, nr. 9 – p. 945 - 972

3. Bobrinetsky, I. I. Formarea și studiul proprietăților electrice ale structurilor plane bazate pe nanotuburi de carbon. Teză pentru gradul de candidat în științe tehnice// I.I. Bobrinetsky. – Moscova, 2004.-145 p.

Bernaerts D. și colab./ în fizica și chimia fulerenelor și derivatelor (Eds H. Kusmany și colab.) – Singapore, World Scientific. – 1995. – P.551

Thes A. și colab. /Ştiinţă. - 1996. - 273 – P. 483

Wind, S. J. Scalare verticală a tranzistoarelor cu efect de câmp cu nanotuburi de carbon folosind electrozi de poartă superioară / S. J. Wind, Appenzeller J., Martel R., Derycke și Avouris P. // Appl. Fiz. Lett. - 2002.- 80. Str.3817.

Tans S.J., Devoret M.H., Dai H. // Nature.1997. V.386. P.474-477.

Nanotuburi de carbon cu un singur perete au fost descoperite în 1993. Două articole au fost publicate simultan într-un număr al revistei Natură, în care cercetătorii japonezi Ichihashi și Sumio Iijima, precum și oameni de știință de la IBM, au publicat rezultate privind posibilitatea sintetizării nanotuburilor de carbon cu un singur perete folosind catalizatori metalici. Nanotuburile de carbon sunt campioni și deținători de recorduri, printre alte materiale.

Să luăm în considerare proprietățile fizice. Conductivitate. Conductivitatea electrică a nanotuburilor de carbon este mult mai mare decât cea a cuprului și argintului. În plus, conductivitatea balistică este observată la o distanță de câțiva micrometri. Pe de altă parte, nanotuburile de carbon sunt un material semiconductor remarcabil, care poate fi comparat cu siliciul în caracteristicile sale. Folosind nanotuburi de carbon cu un singur perete, este posibil să se obțină tranzistori în care mobilitatea purtătorilor de sarcină este semnificativ mai mare decât cea a tranzistoarelor tradiționale de siliciu. În plus, nanotuburile cu un singur perete fac posibilă obținerea de tranzistori pe substraturi flexibile și transparente. Nanotuburile de carbon cu un singur perete au proprietăți termice remarcabile, mai bune decât cele ale diamantului: conductivitatea termică în tuburi este de aproximativ 2 ori mai mare. În plus, nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt un emițător eficient de electroni reci.

Stabilitatea termică a nanotuburilor de carbon este destul de ridicată: le puteți încălzi până la 1500 de grade Celsius fără teama de a le distruge, în timp ce principalul lor competitor - conductorii organici - încep să se deterioreze la temperaturi de aproximativ 150 de grade Celsius. Nanotuburile de carbon sunt un material foarte ușor. Pe de altă parte, au o rezistență specifică ridicată - de 25 de ori mai mare decât cea a oțelului de înaltă rezistență. Acesta este aproape singurul material din care ar fi posibil să se creeze un ascensor spațial, conectând un satelit care se rotește pe o orbită geostaționară cu Pământul, sub forma unui cablu pe care ar fi posibilă ridicarea sarcinilor în spațiu. Adăugările de nanotuburi de carbon la polimeri fac posibilă obținerea de compozite în care proprietățile mecanice se modifică, producând materiale compozite foarte puternice în care variază și conductibilitatea electrică. Dacă materialul este acoperit cu un strat de nanotuburi de carbon, atunci este posibil să obțineți un strat care să protejeze și să protejeze materialul de undele electromagnetice.

Cum rămâne cu aplicațiile energetice: nanotuburile de carbon pot fi folosite ca anod în bateriile cu litiu, ca supercondensatori și, în plus, sunt elemente eficiente în celulele solare - pe bază de coloranți, precum și heterojoncțiuni, unde stratul π de siliciu a fost înlocuit singur. -nanotuburi cu pereti. În plus, este posibil să se realizeze diverși senzori de gaz și optici cu o gamă spectrală destul de largă din nanotuburi de carbon. Nanotuburile de carbon pot fi folosite ca electrozi și tranzistori transparenți. Aș vrea să vorbesc despre asta mai detaliat, dar mai târziu.

Aș dori să vorbesc despre conductivitatea nanotuburilor de carbon. După cum am spus, nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt atât un bun conductor metalic, cât și un excelent semiconductor. Tipul de conductivitate este determinat de grupul de simetrie. Dacă cunoaștem indicii de chiralitate, putem prezice proprietățile metalice ale unui nanotub de carbon. Dacă diferența dintre acești indici este 0 sau un multiplu de 3, obținem nanotuburi de carbon care au proprietăți metalice, în timp ce toate celelalte nanotuburi vor fi semiconductoare. Este evident că 1/3 din nanotuburile de carbon sunt metalice și 2/3 sunt semiconductoare. Din păcate, niciuna dintre metodele existente în prezent nu permite sinteza nanotuburilor de carbon cu o chiralitate specifică. Ce să spun despre chiralitate - este imposibil să obții nanotuburi de carbon chiar și cu o anumită metalitate.

Pe baza metodelor de atomizare a carbonului, toate metodele pentru sinteza nanotuburilor de carbon pot fi împărțite în fizice și chimice. Metoda fizică se bazează pe evaporarea și sublimarea carbonului. Știm că grafitul are o presiune de vapori foarte scăzută, așa că pentru a vaporiza grafitul trebuie încălzit la temperaturi de peste 3000 Kelvin. Acest lucru se poate face folosind energie solară, încălzire prin inducție, ablație cu laser sau descărcare cu arc electric. Această metodă a fost foarte populară în primele zile ale cercetării nanotuburilor de carbon, dar temperaturile ridicate, din păcate, fac imposibilă controlul proprietăților materialului rezultat. Prin urmare, recent a existat tendința de a studia nanotuburile de carbon cu un singur perete - mai exact, metodele de producere a acestora - prin metode chimice. Această metodă se bazează pe descompunerea compușilor de carbon - aceștia pot fi hidrocarburi, alcooli, cetone, orice materie organică, monoxid de carbon.

La rândul meu, aș împărți metodele chimice în sinteza nanotuburilor de carbon pe substraturi și în fază gazoasă. Sinteza nanotuburilor de carbon pe substraturi este cea mai comună metodă. Vă permite să obțineți nanotuburi de carbon: puteți lua un substrat inert, puteți forma nanoparticule de catalizator pe el, puteți plasa un astfel de substrat într-un reactor pentru un anumit timp (de obicei 5, 10, 20 sau 30 de minute), apoi să vă bucurați de imaginile obținute pe substratul dvs. într-un microscop electronic. Pe de altă parte, metoda aerosolului nu se bazează pe utilizarea unui substrat, iar toate procesele de formare a nanotuburilor de carbon au loc în fază gazoasă. Există o limitare serioasă de timp aici, deoarece între intrarea și ieșirea aburului în reactor trec aproximativ 10-12 secunde. În acest timp, totul trebuie să se întâmple: descompunerea catalizatorului precursor (de obicei, în astfel de metode se folosește fie pentacarbonil de fier, fie ferocen), apoi formarea particulelor catalitice de dimensiuni nanometrice, de la 1 la 5 nanometri, descompunerea sau descompunerea carbonului. componentele de pe suprafața catalizatorului și creșterea nanotuburilor de carbon . 12 secunde sunt alocate pentru tot.

Metoda cu aerosoli pentru studierea nanotuburilor de carbon a fost propusă pentru prima dată în 1999 la Universitatea din Houston. Și eu sintetizez nanotuburi de carbon folosind metoda aerosolului de aproximativ 13 ani. Consider că această metodă este cea mai promițătoare dintre toate, deoarece ne permite să obținem nanotuburi de carbon de înaltă calitate, fără particule catalitice neutilizate, fără carbon amorf, adică un produs care, la ieșirea din reactor, este gata de utilizare pe scară largă. După reactor, nanotuburi de carbon sunt depuse pe un filtru. Ele pot fi apoi transferate pe orice alt substrat. Acest proces durează literalmente câteva secunde, dar vă permite să obțineți foarte rapid electrozi transparenți de înaltă calitate.

În munca noastră, am folosit nanotuburi de carbon în multe domenii, de la filtre la electronice. Permiteți-mi să vă dau câteva exemple. Filtre de aerosoli. Printr-o peliculă de nanotuburi de carbon trece destul de ușor un flux de gaz care conține particule de aerosoli de care dorim să scăpăm, fără a crea rezistență. În plus, nanoporii fac posibilă filtrarea aproape a tuturor obiectelor. Am măsurat caracteristicile unui astfel de filtru și am constatat că factorul de calitate al filtrelor fabricate din nanotuburi de carbon cu un singur perete este cu un ordin de mărime mai mare decât cel al analogilor disponibili comercial. În plus, am folosit nanotuburi de carbon ca senzori electrochimici - testele standard pentru dopamină ne-au permis să determinăm niveluri de sensibilitate mai mici de 100 milianomol într-un interval destul de larg - aproximativ 4 ordine de mărime în concentrație. Filmul cu nanotuburi de carbon este un absorbant laser remarcabil care produce impulsuri de 200 de femtosecunde. În plus, nanotuburile de carbon pot fi folosite ca debitmetru, încălzitor de aer, lampă incandescentă și alte dispozitive. Am creat, printre altele, un difuzor termoacustic folosind nanotuburi de carbon suspendate liber. În plus, electrozii transparenți au proprietăți remarcabile, care cred că vor apărea în curând pe piață, deoarece electrozii transparenți fabricați din nanotuburi de carbon cu un singur perete au caracteristici remarcabile comparabile cu oxidul de indiu dopat cu staniu.

Nanotuburile de carbon cu un singur perete pot și cel mai probabil vor fi utilizate în electronică ca electrozi transparenți. În engleză se numește ITO-înlocuire- inlocuirea oxidului de indiu dopat cu staniu, acesta este un material care este folosit in 75% din telefoanele mobile si gadgeturi. Se știe că indiul este un material de pământuri rare în plus, oxidul de indiu dopat cu staniu este un material destul de fragil care nu poate fi folosit pentru electronice flexibile și transparente, în timp ce nanotuburile de carbon cu un singur perete, sau mai exact peliculele realizate din acestea, pot; fi îndoit în câteva zeci de mii de ori, practic fără nicio modificare a rezistenței la suprafață. În plus, materialul nostru poate fi folosit pentru a realiza tranzistoare cu efect de câmp cu peliculă subțire, care au caracteristici remarcabile la egalitate cu tehnologiile tradiționale cu siliciu și uneori chiar depășindu-le, cu rapoarte de curent pornit-oprit de 106 și 108 și cu încărcare. mobilitatea transportatorului de ordinul a 1000 sau mai mult de centimetri pătrați pe volt pentru o secundă.

Metoda aerosolilor pentru sinteza nanotuburilor de carbon si prepararea peliculelor depuse pe filtru reprezinta o oportunitate unica pentru pregatirea componentelor pentru electronica flexibila si transparenta. Depunerea are loc la temperatura camerei, această tehnologie nu necesită vid, este destul de rapidă și ieftină. Scopul nostru este să creăm producție pe scară largă de nanotuburi de carbon cu posibilitatea de a folosi tehnologia roll-to-roll pentru a fi utilizate în electronice flexibile și transparente.

Nanotuburile de carbon creează o nouă ramură a industriei și științei materialelor

Substanțele din categoria „nano”, adică cu particule mai mici de 100 nm, sunt astăzi reprezentate de negru de fum (funingine) și silicagel („funingine albă”). Volumele de producție ale altor nanomateriale sunt incomparabil mai mici. Dar acum situația se schimbă, nanotuburile de carbon au intrat pe piață. Nanotuburi de carbon- acestea sunt structuri cilindrice extinse constând din unul sau mai multe planuri de grafit hexagonale (asemănătoare geometric cu un fagure) rulate într-un tub

Microtuburile de carbon au fost brevetate la sfârșitul secolului al XIX-lea, iar nanotuburile au fost dezvoltate pentru prima dată la Institutul de Chimie Fizică din Moscova în anii 1950, apoi în Japonia în anii 1970 și în cele din urmă „descoperite” în Japonia în 1991. De atunci, interesul pentru conducte a crescut constant.

Nanotuburile nu au analogi în ceea ce privește setul de proprietăți necesare.

• Legătura atomilor de carbon între ei în nanotuburi are o putere record. Modulul Young (o dimensiune de presiune care caracterizează rezistența unei substanțe la tensiune sau compresie) al nanotuburilor este mai mare de 1 TPa (aproximativ 1 milion de atmosfere - mai mare decât cea a diamantului). Conductivitatea termică a nanotuburilor este de opt ori mai mare decât cea a cuprului, iar conductivitatea electrică nu respectă legea lui Ohm. Densitatea de curent în tuburi poate fi de o mie de ori mai mare decât densitatea la care explodează firul de cupru.

Producția globală de nanotuburi a depășit 1.000 de tone pe an. Utilizarea materialelor realizate din nanotuburi de carbon sau care conțin nanotuburi de carbon a devenit un nou sector economic care nu a fost afectat de criza financiară globală.

• Cererea globală de nanotuburi în 2010 este estimată la 10 mii de tone. Sunt produse de peste 40 de companii. limba germana Bayer francezii intenționează să extindă capacitatea de producție la 3.000 t/an până în 2012 Arkema are o fabrică cu o capacitate anuală de 400 de tone, chinezească CNano - 500 t/an și belgiană Nanocil - 400 t/an. Compania japoneză crește producția de nanofibre de carbon până la 500 t/an Showa Denko .

• Materialele nanostructurate sunt împărțite în două grupuri mari. Materialele unuia constau din 95–100% nanotuburi. Al doilea material sunt nanocompozite - dimpotrivă, conțin nanotuburi mici, până la 5%.

Materiale din nanotuburi

Forma nanotuburilor le permite să fie aranjate în două moduri: haotic sau ordonat, ceea ce afectează proprietățile materialelor. Nanotuburile pot fi modificate prin atașarea diferitelor grupuri chimice și nanoparticule la ele. Acest lucru modifică, de asemenea, proprietățile nanotuburilor și ale materialelor lor.

• Materialele din primul grup includ structuri „monolitice” realizate din nanotuburi; acoperiri, filme și nanohârtii din tuburi; fibre din tuburi; „pădure” - nanotuburi situate paralele între ele și perpendiculare pe substrat. Materialele „monolitice” nu sunt utilizate pe scară largă.

„Cauciucul” a fost izolat din nanotuburi lungi încurcate, rezistent la distrugere sub sarcini ciclice și temperaturi de la –140 la +900 °C. Performanța sa este cu mult superioară cauciucului siliconic, care este considerat cel mai bun material vâscoelastic.

• Acoperirile, filmele și nanohârtiile se obțin fie în timpul sintezei tuburilor, fie din dispersiile acestora (soluții coloidale). Primul grup de metode este la temperatură ridicată, al doilea nu necesită încălzire. Cel mai simplu macromaterial realizat din tuburi, nanohârtia, are o grosime de 10–30 nm și este produs prin filtrarea dispersiilor.

.

Companie Tehnologii Nanocomp (SUA) vinde coli de nanopârtie cu o suprafață de aproximativ 3 m2 și intenționează să creeze o unitate de producție cu o capacitate de 4-6 t/an. Au fost implementate metode de producere a rolelor de nanohârtie.

• Nanohârtia este folosită pentru a face filtre (inclusiv pentru îndepărtarea virușilor sau pentru desalinizarea apei), protecție împotriva radiațiilor electromagnetice, piese de încălzire, senzori, actuatoare, emițători de câmp, electrozi ai dispozitivelor electrochimice, purtători de catalizatori etc.

Filmele și acoperirile transparente conductoare de electricitate concurează cu soluțiile solide de oxizi de indiu și staniu și pot înlocui acest material scump și fragil în electronice, senzori și dispozitive fotovoltaice.

• companie americană Eikos dezvoltat și furnizează compoziția din 2005 Cerneală Invisicon pentru depunerea de filme subțiri de nanotuburi pe substraturi.

Fibrele din nanotuburi de carbon păreau a fi un material de prindere ideal pentru „liftul spațial” pentru ridicarea economică a încărcăturii pe orbita Pământului. Cu toate acestea, transferul proprietăților nanotuburilor către macromateriale s-a dovedit a fi departe de a fi o sarcină simplă.

• Fibrele sunt obținute în moduri diferite. Metodele „uscate” includ formarea din aerogel format în timpul pirolizei hidrocarburilor și filarea din „lemn”.

Tehnologia de tragere și răsucire a fibrelor din aerogel - „fum moale” - a fost dezvoltată în Universitatea Cambridge . O hidrocarbură este introdusă în zona de reacție la temperatură înaltă, din care se formează un aerogel (adică un gel în care faza lichidă este complet înlocuită cu o fază gazoasă). Fibrele sunt filate din el, ca pe vremuri din câlți. În Israel, o companie a fost creată în 2010 pentru a produce armuri și acoperiri de protecție din compozite hibride care conțin nanotuburi Cambridge.

• Învârtirea din „pădure” amintește de obținerea firelor de mătase din coconii de viermi de mătase.

.

Metodele de soluție pentru producerea fibrelor sunt extrudarea dispersiilor într-un curent lichid sau extracția din soluții coloidale în superacizi (acizi mai puternici decât sulfuric).

• Companie Tehnologii Nanocomp a anunțat furnizarea de fibre puternice de până la 10 km lungime, pentru a căror producție se folosesc nanotuburi lungi. Firele răsucite au o rezistență de 3 GPa și în unele privințe sunt deja superioare Kevlarului.

„Pădurea” nu are analogi în setul său de proprietăți - este un material elastic, conductiv electric și termic, care poate lua diferite forme și poate fi modificat. În 2004, a fost descris un proces de super-creștere de „pădure” de mare capacitate: producerea de nanotuburi de carbon foarte pure cu lungimea de până la 15-18 mm, ceea ce reduce semnificativ costul acestora.

• Japonia se pregătește să lanseze producția bazată pe procesul de supergrowth. Capacitatea sa este de numai 600 g/h de nanotuburi cu un singur perete, dar intenționează să o crească în curând la 10 t/g.

„Forest” poate fi folosit pentru a crea electrozi pentru supercondensatori, emițători de câmp și celule solare, ca o componentă a compozitelor pe bază de polimeri. Prin așezarea „schelei” pe suprafața substratului s-au obținut panglici dense. Ele pot depăși metalele în conductivitate electrică și vor găsi aplicații în industria aerospațială.

• Benzile musculare artificiale realizate din nanotuburi paralele funcționează la temperaturi de la 80 la 1900 K și asigură o alungire foarte mare atunci când este aplicat un potențial electric. Astfel de convertoare de energie electrică în energie mecanică sunt mult mai eficiente decât piezocristalele.

Materiale dopate cu nanotuburi

Producția de materiale din al doilea grup - nanocompozite, în principal polimeri - este în creștere bruscă

• Introducerea chiar și a unor cantități mici de nanotuburi de carbon modifică semnificativ proprietățile polimerilor, conferă conductivitate electrică, crește conductivitatea termică, îmbunătățește caracteristicile mecanice, stabilitatea chimică și termică. Au fost create nanocompozite bazate pe zeci de polimeri diferiți și au fost dezvoltate multe metode de preparare a acestora.

Fibrele compozite pe bază de polimeri cu nanotuburi pot găsi o aplicație largă.

• Aproape tot ce este produs de companie Bayer Nanotuburile sunt folosite pentru compozitele polimerice. Companie Arkema își furnizează nanotuburile pentru compozite termoplastice și Nanocil - pentru polimeri termocontractabili și preimpregnate cu fibre de carbon (preimpregnate sunt materiale compozite semifabricate pentru prelucrare ulterioară).

companie americană Hyperion Catalysis Int. , un pionier în producția industrială de nanotuburi, produce concentrate pentru încorporare în rășini epoxidice și polimeri.

Tipuri de nanotuburi

• Compozitele ceramice sunt create pe baza multor substanțe refractare, dar în ceea ce privește dezvoltarea industrială, acestea sunt vizibil inferioare nanocompozitelor pe bază de polimeri. Ca și în cazul polimerilor, adăugarea unor cantități mici de nanotuburi crește conductivitatea electrică și termică, conferă capacitatea de a proteja împotriva radiațiilor electromagnetice și, cel mai important, crește rezistența la fisurare a ceramicii.

Introducerea unor cantități foarte mici de nanotuburi în beton îi crește gradul, rezistența la fisurare, rezistența și reduce contracția.

• Compozitele metalice sunt create cu metale și aliaje neferoase comune. Cea mai mare atenție este acordată compozitelor de cupru, ale căror proprietăți mecanice sunt de două până la trei ori mai mari decât cele ale cuprului. Multe compoziții au rezistență și duritate crescute, coeficienți mai mici de dilatare termică și frecare.

Compozitele hibride conțin de obicei trei componente: fibre polimerice sau anorganice (țesături), nanotuburi și un liant. Această clasă include preimpregnate .

• O companie americană este specializată în producția de preimpregnate cu nanotuburi Materiale Zyvex Performance . Nanotuburile cresc rezistența și rigiditatea preimpregnatelor cu 30-50%. Preimpregnatele sunt folosite pentru a crea bărci de recunoaștere maritimă fără pilot "Piranha" .

În 2009, în Statele Unite a zburat prima aeronavă de acrobație aeriană cu caren de motor realizat dintr-un compozit cu nanotuburi. Câteva elemente ale unui planor de avion F-35 companiilor Martin Lockheed realizate din astfel de compozite, aproximativ 100 de părți ale corpului avionului de pasageri Boeing 787 ar trebui să se facă folosind nanotuburi.

• Companie Nanocil produce rășină epoxidică cu tuburi Epocil și preimpregnate Pregcil pe bază de fibre de sticlă, fibre de carbon sau aramid. Aditivii cresc rezistența la fisurare cu 100%, rezistența la forfecare interstrat cu 15% și reduc coeficientul de dilatare termică. Este planificată utilizarea compozitelor în industria auto și aviație, pentru armăturile corporale. Acestea reduc greutatea palelor turbinelor eoliene de 49 de metri de la 7,3 la 5,8 tone.

companie finlandeză Amroy Europe Oy folosind producția de nanotuburi Bayer , produce concentrat epoxidic Hibtonita pentru nave maritime, generatoare eoliene, echipamente sportive etc.

• Pentru preimpregnate canadiene Nanoledge folosește tuburi de companie Bayer , A Tehnologii Nanocomp produce foi mari și rulouri de nanohârtie.

Compozitele hibride pot prezenta proprietăți de deteriorare a senzorului.

• Biocompozite au fost create și cu diferite matrice. Sunt studiate materiale pentru implanturi osoase, filme pentru creșterea țesutului muscular și osos, retinei și celulelor epiteliale ale ochiului, rețele de neuroni, precum și compozite biofuncționale și biosenzori.

Exemplele nu epuizează diversitatea și proprietățile materialelor cu nanotuburi. Domeniile lor de aplicare se extind; încep să determine nivelul de dezvoltare al științei materialelor nanostructurate și starea generală a științei și tehnologiei în fiecare țară.

Eduard Rakov, doctor în științe chimice, șef al Departamentului de nanotehnologie și nanomateriale, Universitatea Tehnică de Chimie din Rusia, numită după. DI. Mendeleev

Mai puternică decât o anvelopă radială? Toate indicii sunt că apariția nanotuburilor de carbon TUBALL în industria anvelopelor va crea o revoluție tehnică și mai mare decât apariția siliciului în anii 90 și se va compara cu descoperirea anvelopei radiale de după război. Chiar și un număr mic dintre aceste tuburi uimitor de mici, cu un diametru de un nanometru (1 miliardime dintr-un metru), cu pereții groși de doar un (!) atom de carbon, pot îmbunătăți performanța oricărui cauciuc. la o scară incredibilă. Istoria acestei invenții, născută chiar în inima Siberiei, este pe cât de grandioasă, pe atât de originală.

În 1945, o bombă nucleară a fost folosită pentru prima dată în istorie. Atunci oamenii au învățat că materia este un depozit de energie enormă. În acea etapă, principala dificultate s-a dovedit a fi - extragerea corectă a energiei. Este nevoia de a lucra cu nanotuburi de carbon la nivel atomic ceea ce le face atât neobișnuite în caracteristicile lor, cât și greu de sintetizat.

Ca sa nu mori idiot...

A merge într-o astfel de tehnologie avansată cu cunoștințe minime este o garanție că nu vei înțelege nimic despre această cercetare, chiar dacă crezi că știi ce este carbonul. Probabil cu mai bine de 500.000 de ani în urmă, strămoșii noștri au început să-l folosească pentru încălzire sau gătit cu cărbune. Cu aproximativ 3 secole în urmă, începutul utilizării cărbunelui (pietrei) și a mașinii cu abur a marcat apariția erei industriale. Cu toate acestea, această perioadă preistorică din istoria carbonului nu are nimic de-a face cu nanochimia modernă...

În linii mari, tot ceea ce crește și trăiește pe pământ depinde de carbon. Iar omul, care este 65% apă, 3% azot, 18% carbon și 10% hidrogen, este un exemplu perfect în acest sens. În natură există mai mult de un milion de compuși obținuți dintr-o combinație de carbon și hidrogen.

În stare naturală, are doar două forme cristaline și foarte diferite: diamant și grafit. Primul este un material prestigios, extrem de rar și dur, al doilea este un gras la atingere, un tip de carbon mult mai puțin exclusivist, extras într-un volum de aproximativ un milion și jumătate de tone pe an. Puțini oameni știu că un diamant în timp (o perioadă foarte lungă!) se descompune în grafit, care este în cele din urmă cea mai stabilă formă de carbon. Suntem foarte familiarizați cu acest mineral negru sau gri, merită să ne amintim, de exemplu, cerneala chinezească sau mine de creion. Astăzi, printre altele, grafitul ajută la asigurarea siguranței centralelor nucleare și, de asemenea, ne oferă milioane de baterii electrice. El este strămoșul incontestabil al tuturor formelor de structuri din atomi de carbon pe care omul le va crea ulterior.

De la un micrometru...

Asemenea proprietăți de lubrifiere benefice ale grafitului, care amintește în structura sa de carbon „soilele” sau „o mie de straturi”, se datorează ușurinței cu care straturile alunecă unele peste altele. Aceste straturi plate și extrem de subțiri au forma unui „fagure”, care constă din inele hexagonale strânse, partea superioară a fiecăruia fiind un atom de carbon legat de trei dintre vecinii săi. Există chiar și straturi groase de un atom! Această structură specială face mai ușor (totul este relativ!) accesul la atomii de carbon. Potențialul enorm al grafitului este cunoscut de mult, dar utilizarea tuturor calităților pozitive ale grafitului este împiedicată de o serie de probleme care apar atunci când se lucrează cu grafit la nivel atomic. Prima capcană este că va fi posibil să se vadă clar astfel de structuri numai după apariția noilor microscoape electronice puternice cu rezoluție înaltă.

Inițial, chimiștii au văzut carbonul prin ușurința cu care a fost transformat în fibră. Prin conectarea microcristalelor lungi și plate și alinierea lor de-a lungul liniilor paralele, este posibilă sintetizarea fibrelor cu un diametru de 5-10 microni. Un ansamblu de 1, 3, 6, 12, 24, 48 mii din aceste fibre de carbon în funcție de tipul de utilizare pentru care au fost destinate,
ajută la sintetiza firelor surprinzător de puternice, în ciuda lipsei de greutate. În efortul de a reconstrui industria textilă deteriorată de război, japonezii au început să dezvolte fibra de carbon în 1959. Mai târziu, primul centru de cercetare avea să devină Toray, care este încă una dintre cele mai mari companii din lume.

O scurtă privire de ansamblu asupra proprietăților excepționale ale nanotuburilor cu un singur perete: conduc mai bine decât cuprul, sunt de cinci ori mai ușoare și de 100 de ori mai puternice decât oțelul, sunt de un milion de ori mai lungi decât diametrul lor și 1 gram de suprafață dezvoltată acoperă suprafața de 2 terenuri de baschet!

Aceste noi fibre nu erau pe deplin potrivite pentru textilele tradiționale, dar având în vedere proprietățile lor mecanice excepționale, au fost rapid apreciate de industria militară și de aviație. Astăzi, cea mai recentă generație de aeronave civile constă din mai mult de 50% fibră de carbon, iar A380 nu ar putea zbura deloc fără ajutorul lui... Și oriunde sunt necesare eficiență și greutate redusă - articole sportive, bărci cu pânze și mașini de curse , protetice etc. .d. – nu se mai poate face fără fibra de carbon.

...la nanometru

Cu toate acestea, a trebuit să așteptăm până în 1985, când omul a creat a treia formă cristalină de carbon, de data aceasta complet artificial - fulerenele. Scara se schimbă radical și începe o scufundare în adâncimea unor cantități infinit de mici; micronul fibrei este înlocuit cu un nanometru. Prefixul „nano” („nain” în greacă) înseamnă 1 miliardime dintr-un metru. Când te joci cu atomi pe scara nanometrică, trebuie să împărțiți măsurătorile de microni la 1.000! Descoperirea fulerenelor a avut loc în laborator, când astrofizicienii au încercat să găsească un răspuns la întrebarea despre natura originii lanțurilor lungi care conțin carbon descoperite în spațiu.

Folosind cunoștințele lor despre molecule limitate la straturi plane bidimensionale de grafit, chimiștii au reușit să creeze noi molecule 3-D care erau încă 100% carbon, dar au luat forme mai variate și mai interesante: sfere, elipsoide, tuburi, inele etc. d. Ce metodă de creație a fost folosită? Evaporarea unui disc de grafit într-un mediu neutru prin ablație cu laser în condiții foarte specifice. Ideea în sine, precum și implementarea ei, nu se află în capacitățile tuturor... Acest lucru a fost recunoscut oficial în 1996, când Premiul Nobel pentru Chimie a fost acordat echipei anglo-americane de inventatori formată din Kroto, Curl, Smalley. . Și a fost corect.

Primul produs obținut prin această metodă de generație a avut inițial forma unei mingi de fotbal! La fel ca mingea, structura a fost împărțită în 20 de hexagoane și, la fel ca grafitul, a fost conectată la 12 pentagoane. Această structură, numită C60, are o grosime de doar 0,7 nanometri și are un spațiu intern de doar un nanometru, care este de 200 de milioane de ori mai mic decât o minge de fotbal adevărată! Cu toate acestea, tocmai această caracteristică, asociată cu cultura anglo-saxonă a echipei de cercetare, va duce la atribuirea unui nume foarte original produsului. În onoarea arhitectului Buckminster Fuller, inventatorul sferelor geodezice, C60 a fost numit de ceva vreme „futballene”, apoi a devenit primul buckminsterfulleren, iar ulterior a fost scurtat (din fericire!) la fullerene.

După ce s-a deschis ușa pentru crearea unui material inovator, procesul a început: numeroase grupuri de cercetare s-au grăbit să obțină fulerene, inventând diverse metode de sinteza a acestuia. Au început să apară o mare varietate de forme fullerene, mai eficiente decât precedentele, cu calități pe cât de variate, pe atât de remarcabile! Acum se crede că există peste 250.000 de tipuri de fulleron (și nu acesta este sfârșitul!), care pot fi utile în orice industrie: farmaceutică, cosmetică, electronică, fotovoltaică, lubrifianți etc. După bani, nanoparticulele sunt cele mai folosite lucruri din lume.

Și apoi apar nanotuburile și, în sfârșit, grafenul.

După C60, a fost posibil să se obțină „mingi de fotbal” de 70, 76, 84, 100, 200 de atomi și chiar 20, iar acesta a fost doar începutul. Sub influența temperaturii, moleculele de carbon se divid (trebuie doar să înveți cum să faci asta), iar atomii lor constitutivi sunt reuniți într-o varietate infinită de forme și se pare că orice configurație este posibilă. Bile, megatuburi, nanotuburi, dimeri, polimeri, nanobulbi etc., imensa familie de fulerene este în continuă creștere, dar sunt nanotuburi mici care rămân până astăzi principala speranță pentru o dezvoltare industrială serioasă.

Dacă 1959 și 1985 sunt datele de naștere general acceptate pentru fibra de carbon și fullerene, atunci nanotuburile au apărut undeva între 1991 și 1993. În 1991, descoperitorul, japonezul Sumio Iijima (NEC), în timpul cercetărilor sale privind sinteza fulerenelor, a obținut primele nanotuburi cu pereți multipli, numărul de straturi de grafen în care variază de la 2 la 50. Le-a primit din nou în 1993. , dar acum acestea sunt nanotuburi cu un perete și, în același timp, Donald S. Bethune, IBM, reușește acest lucru, fiecare în felul său.

În această etapă a istoriei moderne a carbonului, apare un material care formează pereții unui nanotub cu un singur perete, adică grafenul. Acesta este faimosul cristal bidimensional, cu un strat plat în formă de fagure și grosime de doar un atom, a cărui stratificare formează grafitul. De fapt, ceea ce părea simplu, având în vedere originea sa naturală, nu era așa, așa că a trebuit să așteptăm până în 2004, când olandezul André Geim a reușit să izoleze acest covor (sau mai bine zis plasă?) cu grosimea unui atom într-un mod original. A folosit bandă adezivă pentru a dezlipi materia strat cu strat până a obținut un strat gros de 1 atom. Desigur, au fost descoperite și alte metode de producere a grafenului, dar pentru aceasta, Game a împărțit Nobelul în 2010 cu Konstantin Novoselov, un britanic de origine rusă care, ca și el, a lucrat în Marea Britanie.

Dintr-un punct de vedere general acceptat, grafenul ne va revoluționa viețile în viitor. Potrivit unora, acesta este un șoc tehnologic comparabil ca amploare cu trecerea de la epoca bronzului la epoca fierului! Grafenul, care este atât flexibil, cât și elastic, conduce electricitatea mai bine decât cuprul. Grafenul incolor este de 6 ori mai ușor decât oțelul și de 100 sau chiar 300 de ori mai puternic. Acest unic poate face orice: în ciuda dimensiunii sale, poate îmbunătăți aproape orice. Este de 1 milion de ori mai subțire decât un păr - 3 milioane de straturi de grafen stivuite împreună, nu mai groase de 1 mm. Cu toate acestea, întreaga planetă, începând cu Europa, cheltuiește miliarde pentru a învăța cum să sintetizeze astfel de straturi la dimensiunea necesară la prețuri rezonabile. Din păcate, nu toată lumea a reușit încă să realizeze acest lucru!

Nanotub cu un singur perete

Între timp, lansarea sintezei în serie a grafenului nu a fost stabilită, o altă formă de fullerenă cu pereți de grafen a început să capete amploare: un nanotub. Inițial, Iijima l-a obținut folosind doi electrozi de grafit: atunci când un curent electric creează o plasmă de 6000 ° C: anodul (+) se evaporă și se formează un depozit negricios pe catod (-), adică nanotuburi. Pe lângă această metodă de „pulverizare în plasmă cu descărcare în arc”, există și altele: la temperaturi ridicate și medii, în stare gazoasă. Rezultatele sunt diferite, deși, imediat după eliberarea lor, atomii de carbon încep imediat să se reunească, formând forme bizare. Astfel, majoritatea nanotuburilor sintetizate, ca moștenitori ai familiei fullerene, sunt „închise” la capete cu unul sau două capace semisferice. Aceste „jumătăți de minge de fotbal” pot fi păstrate sau îndepărtate pentru a deschide tubul la ambele capete și a-l umple cu alte produse și a-l face și mai interesant.

Nanotuburile multiperete (MW, multiwall) seamănă cu păpușile rusești de cuib în structura lor: multe tuburi cu diametrul descrescător, răsucite unul în celălalt sau un singur strat răsucit în jurul său, ca un sul. Există, de asemenea, goluri, găuri în structuri celulare sau de altă natură cu 5 sau 7 laturi și uneori impurități, depuneri din catalizatori metalici, care nu pot fi evitate în această operațiune: apoi, înainte de a utiliza astfel de nanotuburi, este necesară purificarea sau restaurarea lor. Un singur perete (SW, single wall) poate avea si structuri foarte diferite (helicoidale sau nu), ceea ce le confera un mare avantaj in ceea ce priveste caracteristicile mecanice sau electrice si le confera proprietati de conductor sau semiconductor etc.

Stăpânirea metodei de sinteză a nanotuburilor nu este o călătorie de-a lungul unui râu lung și calm, ci un proces extrem de complex care presupune lucrul cu un volum foarte mic de substanță la un nivel ridicat de cost. Există încă o mulțime de dificultăți, iar ocolirea lor este încă foarte dificilă Acest lucru a devenit clar în 2013, când gigantul chimic Bayer a pierdut mulți bani prin închiderea, la doar trei ani de la deschidere, a fabricii din Leverkusen pentru sinteza de. 200 de tone de nanotuburi pe an. Se pare că această decizie a fost determinată de concurența tehnică (fibra de carbon și Kevlarul sunt încă în uz) și comercială, precum și de o supraestimare a cererii, atât în ​​ceea ce privește volumul, cât și rata de creștere.

OCSiAl, copilul taiga de siliciu

La fel ca multe mari invenții moderne cu mai mulți creatori, descoperirea nanotuburilor nu se datorează exclusiv lui Iijima și Bethune. Multe echipe au lucrat pe această problemă, uneori nici măcar nu se cunoșteau și foloseau metode diferite. O privire mai atentă asupra istoriei problemei indică faptul că, în 1952, oamenii de știință sovietici Radușkevici și Lukyanovich deja efectuau cercetări asupra tuburilor care măsoară 50 de nanometri, iar în 1976 Oberlin, Endo și Koyama au investigat fibrele goale și nanotuburi de carbon cu un singur perete (nanotuburi de carbon cu un singur perete). tuburi, abreviat ca SWCNT). În 1981, oamenii de știință sovietici au fotografiat grafenul ondulat, tuburi cu un singur perete în intervalul de la 0,6 la 6 nm.

Războiul Rece și protecția secretelor industriale au încetinit răspândirea informațiilor despre nanotuburi, ceea ce explică apariția pe piața mondială a OCSiAl, o firmă rusă cu sediul în Akademgorodok, un oraș de cercetare la 20 km de Novosibirsk, în inima Siberiei. A fost conceput și creat în 1957 de către academicianul Lavrentiev, doctor în științe fizice și matematice. Nikita Hrușciov a patronat crearea celor mai bune condiții de viață și de muncă pentru elita științei sovietice. Abandonat din cauza prăbușirii URSS, Orașul Academiei a renascut ulterior într-o formă nouă, mai modernă și capitalistă. Acest oraș de 60.000 de locuitori găzduiește astăzi startup-uri de talie mondială. În 2006, acolo a fost creat un nou parc tehnologic. Dinamica, creativitatea și concentrarea ridicată a întreprinderilor avansate ne permit să numim Academy Town „Silicon Taiga” - prin analogie cu Silicon Valley din California...

Numele OCSiAl în sine este un indiciu asupra simbolurilor chimice ale principalelor elemente cu care lucrează compania: O – oxigen, C6 – carbon cu numărul său atomic 6, Si – siliciu, Al – aluminiu.

Trei muschetari OCSiAl

După cum cere tradiția, au fost patru muschetari care au înființat OCSiAl! Chiar dacă oficial Mikhail Predtechensky este doar Senior Vice President, autorul tehnologiei de sinteză, el este încă o figură cheie a companiei și un om al viitorului. Acest om de știință și inventator a fost capabil să dezvolte un reactor „plasmochimic” capabil să sintetizeze nanotuburi de carbon cu un singur perete de cea mai înaltă calitate în volume mari și, prin urmare, la prețuri de piață, pe care nimeni nu le-a reușit până acum. Acestui om de știință, purtătorul celei mai avansate tehnologii, i s-au alăturat alți trei co-fondatori, finanțatori și manageri de același nivel înalt: Iuri Igorevici Koropachinsky, Oleg Igorevici Kirilov și acum locuiesc în Israel. Yuri Zelvensky. Ei au reușit să identifice potențialul pieței globale (estimat la 3 miliarde de dolari!) și să strângă cele 350 de milioane de dolari necesare pentru înființarea OCSiAl în 2009, iar apoi, în 2013, au înregistrat brevete și au construit un reactor „Graphetron 1.0” capabil să sintetizeze 10 tone de unică. nanotuburi de carbon cu pereți pe an.

„Graphetron 1.0 „a fost pusă în circulație în 2014. Și în 2016, compania avea deja 260 de oameni în personalul său, dintre care 100 de oameni sunt oameni de știință de cel mai înalt nivel care lucrează în laboratoarele din Akademgorodok. Restul personalului companiei sunt ingineri și oameni de afaceri care vând în întreaga lume nanotuburi de marcă sub marca TUBALL. Inițial, pentru a intra pe toate piețele majore, au fost deschise birouri în Columbus, Incheon, Mumbai, Shenzhen, Hong Kong și Moscova. Sediul companiei este situat în Luxemburg. Echipa este formată din specialiști de diverse profiluri, deoarece există un număr mare de industrii (și foarte diverse) ale căror produse pot fi „stimulate” de TUBALL. Specialiștii tehnici și comerciali au încredere în calitatea și gama largă de posibilități de utilizare a TUBALL. Marketingul OCSiAl le stabilește un standard țintă destul de ridicat. În 2017, este planificată lansarea unui al doilea reactor capabil să sintetizeze 50 de tone pe an. Prognozele pe termen scurt sunt exponențiale, bazate pe 800 de tone în 2020 și 3.000 de tone în 2022.

Și dacă primii doi grafetroni vor începe să sintetizeze câte 60 de tone în Academgorodok în 2018, atunci al treilea ar trebui, teoretic, să apară mai aproape de Europa și de principalele sale piețe. Și din moment ce specificațiile de bază necesită „multă energie și gaz”, deja se fac pariuri pe viitoarea locație: de ce nu Luxemburg, deoarece sediul companiei se află aici?

Superioritate evidentă

S-ar putea să considere astfel de previziuni prea optimiste și să ne fie frică să nu se lase la scurs, așa cum sa întâmplat cu compania Bayer, dar în Luxemburg nimeni nu se teme de acest lucru - nanotuburile de carbon TUBALL cu un singur perete sunt atât de superioare în caracteristicile lor față de nanotuburile cu pereți multipli. . Aceasta este opinia lui Cristoph Siara, director de marketing și vânzări la Ocsial Europe, și a lui Jean-Nicolas Helt, Lead Development and Customer Support, Elastomers, OCSiAl Europe. Pe numele lui Christophe Siara, nici măcar nu ai putea spune că este german. Christophe a fost educat ca avocat. Trăind în Franța din 1983, cariera sa trece de la o industrie de ultimă oră la alta i-a oferit expertiza pentru a înțelege cele mai complexe tehnologii. Când Christophe Ciara vorbește despre nanotuburi, el poate fi confundat cu un adevărat chimist. Inginerul Jean-Nicolas Helt este din Franța. A primit o diplomă în fizică fizică la Universitatea din Nancy și apoi la ESEM Orléans. Datorită educației sale excelente, a putut să se alăture Goodyear în Luxemburg. În cei 17 ani de funcționare, se poate lăuda cu câteva realizări majore în industria anvelopelor pentru camioane grele și autoturisme. În 2015, s-a alăturat OCSiAl ca manager de proiect și a fost cel care a spus că nanotuburile TUBALL ar putea aduce ceva valoros industriei anvelopelor.

Christophe Siara explică că apariția nanotuburilor de carbon cu pereți unici TUBALL reprezintă o descoperire semnificativă pentru industrie în comparație cu predecesorii lor, nanotuburile cu pereți multipli. Cu un diametru cuprins între 25 și 40 nm, constând din mai multe straturi răsucite, aceste nanotuburi cu pereți multiplu sunt de natură destul de rigidă, ceea ce a avut un impact negativ asupra proprietăților lor mecanice. Spre deosebire de nanotuburile cu pereți multipli, nanotuburile de carbon cu pereți uni TUBALL sunt subțiri, de ordinul a 1,5 nm și foarte lungi > 5 microni: „Sunt de 3.000 de ori mai lungi decât sunt largi, ceea ce devine mai clar cu acest exemplu: acesta este dvs. furtun de udare a gradinii 100 de metri lungime!

Aceasta înseamnă că există și o latură lingvistică a problemei, deoarece denumirile „serpentine”, „fidea”, „fibră de carbon goală și lungă” par mult mai potrivite decât un tub. Dar totuși, un nanotub este mult mai simplu!

Alte aspecte în care TUBALL nu are rivali: stratul său gros de 1 nm este absolut neted, carbon amorf< 10 %, остаточные неорганические примеси (Fer) < 15 % заключены в капсулах, то есть не действуют. В отличие от своих конкурентов TUBALL не требует никакой очистки. Кроме того к отличительным чертам нанотрубок TUBALL можно отнести: содержание углерода >85%, raportul benzii G/D (spectrometrie Raman) > 70, confirmând o conductivitate excelentă. Toate rezultatele sunt confirmate de laboratoare independente, dintre care unul este Intertek (mai 2014).

Creștere incredibilă și îmbunătățire semnificativă a tuturor parametrilor cu o etanșare ermetică din cauciuc nitrilic sintetic.

Totul este în proces

„Graphetron 1.0” Mikhail Predtechensky este probabil una dintre acele mașini care vor revoluționa secolul XXI. Vorbim despre un reactor capabil să prelucreze volume mari folosind precursori și catalizatori ieftini. Cum functioneaza? Acesta este un secret absolut care este foarte bine păzit. Christophe Siara și Jean-Nicolas Helt au asigurat râzând că nu știu nimic despre asta și nu vor ști niciodată. Și primul dintre toate actele de angajare pe care le-au semnat, la fel ca tot personalul, a fost un acord de confidențialitate! " Graphetron 1.0 „vor fi prezentate în cadrul unei conferințe științifice din noiembrie, dar punem pariu că nu ne va oferi nimic. Dar, cel mai important, permite un flux continuu de sinteză de nanotuburi de carbon de înaltă calitate, cu un singur perete, la prețuri rezonabile. Se estimează că aceste 10 tone anuale reprezintă 90% din sinteza globală a nanotuburilor cu un singur perete astăzi. Începând din 2017, compania plănuiește să înceapă sintetizarea a încă 50 de tone de nanotuburi!

Prețuri pentru produsele TUBALL? — Este interzis să vorbim despre asta. Secret comercial. Doar broșurile companiei o dezvăluie: există sentimentul că acest lucru este foarte departe de estimările corecte, dar cel puțin oferă o idee despre costul aproximativ al nanotuburilor: transportul din Novosibirsk costă 8 dolari SUA pe gram pentru un volum mic de comandă, 2 dolari SUA pentru comandă mare. OCSiAl asigură modest că a redus prețul de cel puțin 25 de ori.

Această cursă frenetică pentru creșterea volumelor de producție se explică prin versatilitatea lui TUBALL. OCSiAl vinde nu doar nanotuburi de carbon, ci și un aditiv aproape universal capabil să ofere o creștere explozivă a caracteristicilor a aproximativ 70% din materialele utile de pe planeta noastră.

Aditiv versatil, performanță incredibilă

A menționa proprietățile lui TUBALL este practic la fel cu a face despărțirile: cu cât te scufunzi mai departe în adâncimi care sunt vizibile doar la microscop, cu atât ajungi mai sus la culmile de eficiență! Să trecem peste ea pe scurt: stabilitatea sa termică rămâne până la 1.000°C, este de 100 de ori mai puternică decât oțelul și aria sa depășește orice înțelegere rezonabilă: 1 gram de suprafață dezvoltată a unui nanotub TUBALL acoperă 2 terenuri de baschet, adică 3.000 m 2 .

Toate acestea ar fi de puțin folos fără o proprietate fundamentală suplimentară - dispersibilitatea sa uimitoare. Datorită tuburilor foarte subțiri și lungi, TUBALL creează numeroase rețele care se amestecă invizibil cu alte elemente și le fac mai puternice. Astfel, un volum ridicol de TUBALL, de la 1/1.000 la 1/10.000 din greutatea totală, este suficient pentru a da caracteristicilor materialului o creștere explozivă. Nanotubul cu perete unic (SW) este adevărata SOLUȚIE pentru multe dintre descoperirile tehnologice ale secolului 21.

O sticlă mică cu 1 gram de TUBALL, pe care compania OCSiAl o pune în mâna vizitatorului pentru ca acesta să „evalueze” mai bine produsul, este o garanție a succesului 100% atunci când încep să vorbească în detaliu despre conținutul acestuia: 1015 bucăți, adică 1.000.000.000.000.000 (un milion de miliard) tuburi! Dacă ar fi puse cap la cap, lungimea rezultată ar fi de aproximativ 50 de milioane de kilometri!

OCSiAl reprezintă pe scurt tot ceea ce este capabil TUBALL într-o singură diagramă sub forma unei flori frumoase cu numeroase petale. Selectând proprietățile, conductivitatea, rezistența, neutralitatea chimică, transparența etc. sau adunându-le împreună, deschideți un număr mare de aplicații posibile. TUBALL este cu adevărat „amplificatorul universal” care pretinde că este.

Și pentru a facilita utilizarea unui aditiv conductiv, nanotuburile TUBALL sunt rareori furnizate doar sub formă de pulbere. Sunt oferite în opțiuni mult mai convenabile de utilizare: sub formă de lichid, polimer, ulei, cauciuc etc. chiar şi sub formă de suspensie în solvenţi. Acest lucru asigură ușurința amestecării și dispersării. De exemplu, 50 de grame de nanotuburi TUBALL dizolvate in 50 kg de rasina epoxidica sau poliester ofera imediat materialelor conductivitate, ceea ce este foarte practic pentru pardoselile care pot fi chiar colorate!

Flexibilitate – siguranță

Concentratele gata de utilizare au un alt avantaj: asigură siguranță atunci când lucrează cu nanotuburi. Forma lor primară și dimensiunile foarte mici le permit să ajungă chiar în inima celulelor corpului uman, așa că trebuie luate măsuri de precauție chiar dacă carbonul nu este toxic pentru oameni. Nanotuburile introduse în matrice nu se pot evapora în atmosferă, ceea ce face ca utilizarea lor să fie sigură și îi liniștește pe cei cărora le este frică de efectele cancerigene precum azbestul. Organizația Mondială a Sănătății (OMS) sugerează că nanotuburile sunt similare cu fibrele. Cu toate acestea, caracteristicile nanotuburilor de carbon cu un singur perete TUBALL sunt foarte diferite de caracteristicile nanotuburilor de carbon cu pereți multipli pe care le-am menționat la început. „Pentru a fi clar”, rezumă Christophe Ciara, „dacă nanotuburile de carbon cu pereți multipli sunt o crosă de golf, atunci nanotuburile de carbon cu pereți uni TUBALL sunt un furtun de stropire. Forma solidă și prezența rugozității permit nanotuburilor de carbon cu pereți multipli să intre în celulă și să se atașeze de ea. Dar, în același timp, forma dura și inflexibilă a nanotuburilor cu pereți multipli creează o serie de probleme care pot fi evitate prin utilizarea nanotuburilor TUBALL, flexibile și lungi, cu un singur perete, care, datorită caracteristicilor lor, nu pătrund în celula însăși. .

OCSiAl este foarte atent la studiul acestei probleme, prin urmare monitorizează toate cercetările efectuate în lume. În special, din 2008, compania a supravegheat activitatea BAuA, un institut guvernamental german responsabil cu dezvoltarea standardelor industriale și, în special, cu determinarea caracteristicilor produselor pentru a asigura siguranța lucrătorilor. TUBALL a fost luat în cea mai simplă formă - pulbere, care este achiziționată de 10% dintre clienți. Nanotuburile au primit rezultate pozitive în ceea ce privește siguranța utilizării lor pentru mediu. A existat o singură problemă: nu a existat nicio modalitate de a curăța aerul de nanotuburi prin filtrare, pentru că, din cauza dimensiunilor prea mici, au ocolit toate materialele cunoscute! Între timp, căutarea unei soluții este în desfășurare (se lucrează la ea), OCSiAl nu uită de principiul precauției, propunând utilizarea celor mai eficiente tipuri de protecție pentru forma pulbere de TUBALL, care în sine sunt deja obligatorii. atunci când lucrați cu cei mai periculoși reactivi chimici: o mască care acoperă toată fața, salopete, mănuși, cizme. Pentru compoziția lichidă a substanței sunt suficiente ochelari, mănuși și salopete.

OCSiAl ține, de asemenea, de integritatea ciclului de viață al produselor sale. Vestea este încurajatoare pentru că, odată introduse într-o matrice și apoi în materiale noi, nanotuburile rămân acolo. După ce au primit fiecare grad de protecție față de pericolele pe care le pot prezenta, nanotuburile TUBALL devin un reactiv chimic „normal”, care este supus celor mai stricte reglementări introduse recent. Astfel, cu plăcere, dar fără mare surpriză, OCSiAl a primit certificarea REACH în octombrie, permițându-i să furnizeze de acum înainte până la 10 tone de nanotuburi pe an pe piața europeană.

Marea Revoluție a Anvelopelor

Din momentul în care au apărut anvelopele, toți producătorii au căutat tehnologii care ar putea îmbunătăți caracteristicile materialului. De la aditivi precum argila și talcul până la carbon, ne străduim în continuare să îmbunătățim rezistența anvelopelor. Apariția siliciului în 1991 a schimbat complet situația existentă pe piață. Siliciul permite ca cauciucul să primească proporții universale care se adaptează la sarcini specifice Siliciul a devenit o condiție esențială pentru performanța anvelopei, dar toate acestea nu sunt nimic în comparație cu saltul brusc care va avea loc după intrarea TUBALL în industria anvelopelor.

Cu peste 17 ani de experiență la Goodyear, Jean-Nicolas Helt este exact la țintă. Diagrama de la pagina 53 arată dispersia TUBALL în compușii anvelopelor. În stânga sunt două particule negre de carbon care apar destul de izolate în cubul de polimer. Imaginea centrală arată rezultatele întăririi unui produs folosind nanotuburi de carbon cu pereți multipli - destul de scurte, dure și stivuite. Privind imaginea, puteți vedea că câștigul s-a dovedit a fi destul de slab și ineficient. În dreapta - TUBALL, într-un raport de numai 1/1.000 la greutatea totală, umple cubul 100% cu o rețea foarte densă de nanotuburi de carbon cu un singur perete, care sunt strâns împletite între ele. Astfel, acest mini-umplutură are un mare efect de întărire datorită faptului că este foarte structurat și permite o coeziune sporită a componentelor. În orice caz, astfel de conexiuni întărite au un efect mai bun, reducând mobilitatea componentelor și, prin urmare, uzura acestora. Este destul de logic ca asta O rețea 3D de nanotuburi de carbon cu un singur perete formează un al doilea schelet în cauciucul anvelopei, permițându-i să încetinească procesul de uzură. În plus, TUBALL este neutru din punct de vedere chimic, deci este mai rezistent la căldură, radiații ultraviolete și poluare cu hidrocarburi decât alte componente de pornire.

„Fii atent”, spune Jean-Nicolas Helt, „TUBALL se ocupă de funingine la fel ca siliciul. Anvelopa își păstrează caracteristicile de bază, în plus, atunci când se adaugă chiar și cantități foarte mici de nanotuburi de carbon cu un singur perete, caracteristicile încep să se îmbunătățească semnificativ. Un alt avantaj al TUBALL este căcă este un conductor extrem de puternic, deci este posibil să se realizeze un capac de magistrală care să fie 100% siliciu dar și 100% conducător de electricitate statică, mai degrabă decât să fie nevoie să-l izoleze. Acest lucru elimină necesitatea unei benzi de cauciuc NdC de-a lungul ecuatorului anvelopelor premium, care eliberează electricitate statică în pământ.” Acesta este un alt câștig semnificativ primit.

Diagrama A. Păianjenii albaștri reprezintă performanța amestecului clasic, zonele roz arată câștigul care se poate obține prin adăugarea de siliciu. Circuite de comparat cu următorul circuit B, care abordează această problemă adăugând TUBALL.

Schema B. Principiul este același ca în diagrama anterioară A, scara valorilor este aceeași. Se poate concluziona că suprafețele roz prezintă performanțe îmbunătățite cu adăugarea de TUBALL.

Polimeri cu adaos de TUBALL

TUBALL are același efect asupra polimerilor ca și asupra materialelor de umplutură de armare. Astfel, inginerii pot dezvolta cu ușurință anvelopele „a la carte” prin adăugarea unuia sau altul polimer, menținând una sau alta caracteristică, care nu va fi afectată în niciun fel de dezvoltarea puternică a altor indicatori. De exemplu, deficiențele unor anvelope pe suprafețe uscate sau umede pot fi compensate prin utilizarea TUBALL. De asemenea, va fi o opțiune bună pentru anvelopele de motociclete, deoarece va îmbunătăți simultan aderența și uzura. „Poate îmbunătăți orice”, rezumă succint Jean-Nicolas Helt. Dar care este pretul? Având în vedere volumul neglijabil de adăugat amestecului (câteva miimi din greutatea totală) și costul rezonabil al TUBALL, Jean-Nicolas Helt estimează că costurile de producție vor crește de la 2 USD la 3 USD per anvelopă, ceea ce este relativ scump, dar ușor de gestionat. pentru o anvelopă premium, care ar trebui să fie prima care adoptă TUBALL, deoarece creșterea eficienței este pe primul loc pentru ei. Și acest lucru este absolut adevărat, deoarece un număr mare de producători se uită deja către TUBALL, mai ales după ce au primit rezultate pozitive de la testele efectuate în laboratoare independente, de exemplu, în laboratorul nr. 1 din lume Smithers. Atunci au fost testate și confirmate toate afirmațiile OCSiAl, inclusiv faptul că depășirea volumelor mici prescrise de TUBALL nu aduce nicio îmbunătățire. „Nu trebuie să adăugați mai mult decât aveți nevoie”, este concluzia!

Concluzia mai precizează că dozarea TUBALL pentru amestecuri este foarte simplă, deoarece procesul în sine nu se modifică (amestecare, extrudare, gătire etc.) și trebuie doar să deschideți rezervorul TUBALL pentru a-și turna conținutul în mixerul Banbury. OCSiAl furnizează TUBALL MATRIX 603 pe piață sub formă de concentrat gata de utilizare - nanotuburi amestecate cu cauciucuri sintetizate (naturale, stiren butadienă, nitril butadienă, etc.) plus ulei de proces tridecil alcool etoxilat (TDAE), care majoritatea folosit adesea pentru anvelope. TUBALL există și sub formă de suspensie într-o gamă largă de solvenți (MEK, izopropanol, etilen glicol, acetat de etil, N-metilpirolidonă, glicerină sau chiar apă). Ideale din punct de vedere al siguranței, aceste formulări sunt extrem de ușor de utilizat.

Simplă și ideală de utilizat, această soluție poate fi făcută și mai ușoară prin adăugarea de TUBALL la polimer în momentul polimerizării acestuia: nu mai sunt necesare operații suplimentare în timpul amestecării! Această metodă de introducere a unui polimer în „momentul nașterii” schimbă problema de la producător la furnizorul cauciucului sintetizat, dar OCSiAl s-a gândit deja la acest lucru, după ce a început cooperarea cu LANXESS. Cu alte cuvinte, TUBALL se pregătește să intre în industria anvelopelor prin două uși deodată, adică progresul său va merge și mai repede.

Chiar dacă adăugarea de cauciuc natural poate avea loc numai în momentul amestecării, utilizarea TUBALL va oferi perspective excelente chiar și atunci când este adăugat direct în timpul procesului de fabricație altor cauciucuri sintetizate, izopren sau nitril butadienă. Acesta din urmă a făcut un adevărat salt în industrie, trecând la un nou nivel de rezistență a garniturii în toate domeniile... Mai simplu spus, piața de anvelope, cauciuc industrial (mănuși de chirurg din latex au trecut la utilizarea TUBALL), polimeri, elastomeri, compozite , baterii, fotovoltaice, ecrane flexibile, cerneală magnetică, beton antistatic, vopsele, ceramică, cupru, semiconductori, vitralii, benzi adezive etc. – toate acestea sunt zone țintă în care se poate aplica TUBALL. Și acum înțelegem mai bine toate perspectivele pentru proiect.” Graphetron 50”, care vizează asigurarea unei creșteri explozive a caracteristicilor a 70% din produsele existente în industrie...

Diagrama C. Linia dreaptă de mai jos este amestecurile clasice, linia punctată verde este amestecurile cu adaos de siliciu, iar linia transversală albastră arată îmbunătățirea performanței anvelopelor la adăugarea TUBALL.

Deja concurenta...

Pentru cei care încă se îndoiesc de beneficiile disponibile producătorilor de anvelope atunci când folosesc TUBALL, Jean-Nicolas Helt prezintă trei scheme. Primii doi sunt „păianjeni” clasici care compară indicatorii de performanță a trei tipuri diferite de anvelope - cele convenționale, îmbunătățite datorită siliconului și anvelopelor cu adăugarea de TUBALL. Primul tabel (A) vizualizează sub formă de zone roz deschis, descoperirea obținută prin utilizarea siliciului este desigur importantă, dar este încă departe de a influența întregul complex de caracteristici ale anvelopelor.

Al doilea (B) se bazează pe același principiu, dar de această dată, zonele TUBALL roz deschis ocupă cea mai mare parte a zonei, arătând o creștere semnificativă a performanței în aproape toți parametrii. Mai mult, volumele reduse de material folosite sunt surprinzătoare: 0,2% în concentratul de cauciuc natural, 0,1% pentru celelalte două, sub formă de concentrat de ulei.

A treia schemă (C) este cunoscută de mult în presa de specialitate. Două linii drepte determină caracteristicile amestecurilor de „funingine” (dedesubt, albastru închis) și indicatorii mai eficienți „siliciu”, care sunt evidențiați în linii punctate verzi. A treia linie dreaptă, care trece clar de sus, vizualizează amestecuri cu adăugarea de TUBALL - evidențiată cu albastru în partea de sus. Graficul arată clar beneficiile oferite de nanotuburile de carbon cu un singur perete.

Unii producători sunt deja pregătiți să fie proactivi anunțând utilizarea nanocarbonului. Asta nu înseamnă că alți producători nu folosesc deja nanocarbon, deși nu vorbesc despre asta... De la începutul anului, producătorul de anvelope pentru biciclete Vittoria vinde anvelope cu adaos de grafen, materialul de bază pentru nanotuburile TUBALL. (reveniți la începutul articolului dacă ați uitat deja! ). Vittoria îl folosește sub formă de straturi încorporate în anvelopă și susține că a găsit un compromis de neatins până acum: îmbunătățește simultan rezistența la rulare, obținând și rezistența la perforare, o caracteristică importantă pentru bicicliști. „Îmbunătățiți totul deodată”, - acum competiția confirmă cuvintele lui Jean-Nicolas Elt...

A doua știre a venit din China, unde în august a fost încheiat un acord între Sentury Tire și Huago privind condițiile de producție a anvelopelor cu adaos de grafen. Nu știm încă cum, dar în orice caz, tehnologia va fi cu siguranță diferită de anvelopele Vittoria. Astfel de știri indică progresul general: rezistența la rulare și kilometrajul înmulțit cu 1,5. Și apoi doi reprezentanți ai companiei și-au arătat grafenul „primul născut” la o întâlnire majoră a specialiștilor în carbon „GrapChina” pe 22 septembrie. În același timp și în aceeași întâlnire, producătorul Shangdong a anunțat oficial că va produce acum anvelope cu adaos de grafen. Și toți cei care îl folosesc citează faptul că a fost inventat de laureații Nobel. Acesta este un argument în dezbatere pe care nu îl poate pretinde TUBALL, chiar dacă nanotuburile au fost inventate înainte de grafen!

Punem pariu că numărul știrilor de acest gen va crește foarte repede. 2016 marchează punctul de plecare pentru carbon în industria anvelopelor. Și această schimbare tocmai a început, iar OCSiAl cu nanotuburi este în fruntea acestei transformări. Și acesta este un proces demn de atenția noastră... Pentru mulți ani de acum înainte...

Jean-Pierre Gosselin