Углеродные нанотрубки применение. Углеродные нанотрубки: инновационный материал с широким спектром применения в современных технологиях

Что представляют собой углеродные нанотрубки. Каковы их уникальные свойства. Как их получают. Где они применяются сегодня и в каких областях ожидается их использование в будущем. Какие преимущества и недостатки есть у этого материала.

Что такое углеродные нанотрубки и как они устроены

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические структуры, состоящие из атомов углерода. Их диаметр составляет всего несколько нанометров, а длина может достигать нескольких сантиметров. Как устроены эти уникальные наноструктуры?

• Стенки нанотрубок образованы шестиугольниками из атомов углерода
• Они могут быть однослойными или многослойными
• Диаметр однослойных нанотрубок обычно около 1 нм
• Многослойные нанотрубки состоят из вложенных друг в друга цилиндров
• Расстояние между слоями в многослойных нанотрубках — 0,34 нм

Интересно, что свойства нанотрубок во многом определяются их геометрией — углом скручивания графенового листа. От этого зависит, будет ли нанотрубка проявлять металлические или полупроводниковые свойства.

Уникальные свойства углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки обладают целым рядом выдающихся характеристик, которые делают их крайне перспективным материалом для различных применений:

• Очень высокая механическая прочность — в 50-100 раз выше, чем у стали
• Отличная тепло- и электропроводность
• Огнестойкость и химическая стабильность
• Большая удельная поверхность
• Способность поглощать и испускать электромагнитное излучение
• Возможность заполнения внутренней полости различными веществами

Какие еще уникальные свойства характерны для нанотрубок? Они могут проявлять квантовые эффекты, обладают капиллярным эффектом, а также сочетают в себе свойства как твердого тела, так и молекул.

Основные методы получения углеродных нанотрубок

Существует несколько способов синтеза углеродных нанотрубок. Рассмотрим три наиболее распространенных метода их получения:

1. Дуговой разряд
   • Используются графитовые электроды
   • Между ними создается электрическая дуга в атмосфере гелия
   • Нанотрубки образуются на катоде
2. Лазерная абляция
   • Мишень из графита испаряется лазером
   • Нанотрубки конденсируются на охлаждаемой поверхности
   • Позволяет получать преимущественно однослойные нанотрубки
3. Химическое осаждение из газовой фазы
   • Используется подложка с частицами катализатора
   • Подается углеродсодержащий газ при высокой температуре
   • Нанотрубки растут на частицах катализатора

Выбор метода синтеза зависит от желаемых характеристик получаемых нанотрубок и масштабов их производства.

Применение углеродных нанотрубок в современных технологиях

Уникальные свойства углеродных нанотрубок открывают широкие возможности для их использования в различных областях. Где они уже применяются сегодня?

• Электроника — в качестве проводников и полупроводников
• Композитные материалы — для улучшения их характеристик
• Фотоника — для создания оптических переключателей
• Сенсоры — как основа высокочувствительных датчиков
• Медицина — для адресной доставки лекарств
• Энергетика — в топливных элементах и суперконденсаторах

Особенно перспективно применение нанотрубок в качестве добавок к различным материалам. Даже небольшое их количество может значительно улучшить механические, электрические и теплофизические свойства композитов.

Перспективные направления использования углеродных нанотрубок

Помимо уже реализованных применений, углеродные нанотрубки имеют огромный потенциал для создания инновационных технологий будущего. Какие перспективные направления их использования рассматриваются учеными?

• Сверхпрочные и легкие конструкционные материалы
• Искусственные мышцы для роботов и протезов
• Компоненты квантовых компьютеров
• Трос для космического лифта
• Микроскопические устройства для доставки лекарств
• «Умная» одежда с интегрированной электроникой
• Высокоэффективные солнечные батареи
• Компактные устройства хранения водорода

Реализация этих идей может привести к настоящему технологическому прорыву во многих областях — от медицины до освоения космоса. Однако для этого необходимо решить ряд технологических и экономических проблем.

Преимущества и недостатки углеродных нанотрубок

Как и любой материал, углеродные нанотрубки имеют свои сильные и слабые стороны. Рассмотрим основные преимущества и недостатки этих наноструктур:

Преимущества:

• Уникальное сочетание механических, электрических и теплофизических свойств
• Возможность управлять характеристиками нанотрубок за счет их геометрии
• Химическая стабильность и устойчивость к внешним воздействиям
• Широкий спектр потенциальных применений в различных областях

Недостатки:

• Сложность получения нанотрубок с заданными параметрами
• Высокая стоимость производства в промышленных масштабах
• Потенциальные риски для здоровья человека и окружающей среды
• Трудности встраивания в существующие технологические процессы

Преодоление этих недостатков — важная задача для дальнейшего развития технологий на основе углеродных нанотрубок. Ведутся активные исследования по удешевлению их производства и повышению безопасности.

Влияние углеродных нанотрубок на развитие нанотехнологий

Углеродные нанотрубки играют ключевую роль в развитии нанотехнологий и могут стать основой для создания материалов и устройств нового поколения. Как они влияют на прогресс в этой области?

• Стимулируют развитие методов работы с наноразмерными объектами
• Служат модельной системой для изучения наномира
• Способствуют созданию новых инструментов для наноисследований
• Открывают возможности для миниатюризации электронных устройств
• Позволяют разрабатывать принципиально новые наноматериалы

Исследования углеродных нанотрубок помогают лучше понять свойства вещества на наноуровне и создают фундамент для развития нанотехнологий в целом. Это может привести к революционным изменениям во многих отраслях промышленности и технологий.

Не вылететь в нанотрубку. Современные продукты из графена могут получить широкое применение в строительстве при условии, что удастся снизить их стоимость — Пресс-центр

Одностенные углеродные нанотрубки — продукт, который может кардинально изменить свойства материалов, в том числе и строительных. Если просто, то трубки — это лист графена, свернутый в полый цилиндр. Область применения углеродных нанотрубок исключительно широка — от медицины до строительства. Так, например, введение их в качестве модификатора в бетон придает последнему электропроводность, термостойкость и повышенную прочность. Добавление даже 0,01% нанотрубок в материал существенно меняет его свойства. Тесты по сверлению и истиранию материалов, модифицированных нанотрубками, проведенные в Европе, показали, что одностенные углеродные нанотрубки не покидают матрицу материала при его механическом повреждении.

Коэффициент прочности одностенных углеродных нанотрубок — 50 ГПа, стали — 1 ГПа.

«Прелесть нанотрубок еще и в их чрезвычайно низких концентрациях, необходимых для кардинального изменения свойств материалов, — говорит академик РАН Михаил Предтеченский. — Например, одного килограмма нанотрубок хватит, чтобы улучшить километр асфальтированной трассы — срок службы асфальта будет в четыре раза длиннее».

Еще одно из возможных направлений применения модифицированных с помощью нанотрубок бетонных смесей: защита трубопроводов на морских шельфах, на дне рек, в обводненной и болотистой местности, в промерзающем грунте. Российской компанией «БТ СВАП» уже накоплен опыт при строительстве подводных переходов в Охотском, Черном и Каспийском морях, через Куйбышевское водохранилище, на Сахалине и Ямале. Директор фирмы по науке и технологиям

По мнению проректора по научной работе МГСУ, одного из ведущих специалистов в области новых материалов для строительства Андрея Пустовгара, применение нанотрубок для модификации строительных материалов является действительно перспективным направлением. Правда, оговаривается эксперт, только в том случае, если мы не сведем это только к простому добавлению нанотрубок в бетонную смесь с целью повысить прочность при сжатии на 30% или даже 50%, не принимая во внимание стоимость бетона.

«Применение нанотрубок, на мой взгляд, эффективно, прежде всего, при создании покрытий и материалов с управляемыми магнитными, электрическими и теплотехническими свойствами, — говорит Андрей Пустовгар

Получится, что системы электроснабжения будут «нарисованы» на стене, а включение и выключение инженерного оборудования станет возможным осуществлять путем нажатия на выделенный цветом участок стены. «Создание „умных“ покрытий строительных конструкций — это одно из основных направлений, на котором нужно сконцентрировать научные и прикладные исследования применения нанотрубок в строительных материалах, — уверен профессор МГСУ. — Это открывает перспективы создания когнитивных систем зданий и сооружений, в которых покрытия будут обладать способностью к пониманию процессов, происходящих внутри и снаружи здания и адекватно реагировать на них».

Научный консультант ФАУ ФЦС Минстроя России Александр Цернант подтверждает, что нанотрубки применяются для модифицирования материалов, в которых благодаря им образуются матрицы. К таким модифицируемым материалам, в частности, относятся бетоны и полимерные композиты. «Этот вопрос подробно изучен наукой, ЦНИИС имеет патенты на применение углеродных нанотрубок для повышения качества матрицы различных бетонов, — рассказывает Александр Цернант. — Модификация бетона на наноуровне придает конструкциям более высокие потребительские свойства. Это доказано. Сейчас, когда технология изготовления наноструктур освоена, ее применение становится естественным процессом. Ключевым критерием остается стоимость такой модификации, поэтому их применение должно быть обосновано с технической и с экономической точек зрения».

Действительно, цена продукта пока относительно высока. Сегодня на рынке присутствуют два крупных производителя нанотрубок — российская фирма OCSiAl (портфельная компания РОСНАНО) и японская Zeon. Японцы продают трубки по цене около 10 тысяч за килограмм при ежегодном производстве около тонны. Это сильно ограничивает промышленное применение их продукции. В российской компании утверждают, что им удалось существенно снизить цену продукта — фирма готова запустить установку мощностью 50 тонн нанотрубок в год по цене от $100 до $200 за килограмм. Кстати, OCSiAl — первый в мире производитель одностенных углеродных нанотрубок, прошедший сертификацию в соответствии с регламентом Европейского союза REACH. Это позволит компании ежегодно поставлять до 10 тонн нанотрубок в Европу и значительно расширить их применение в различных отраслях.

Углеродные нанотрубки. Устройство и применение. Особенности

Углеродные нанотрубки – это материал, которым грезят многие ученые. Высокий коэффициент прочности, превосходная тепло- и электропроводность, огнестойкость и весовой коэффициент на порядок выше, чем у большинства известных материалов. Углеродные нанотрубки представляют свернутый в трубку лист графена. Русские ученые Константин Новоселов, а также Андрей Гейм за его открытие получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Впервые же наблюдать за углеродными трубками на поверхности железного катализатора могли советские ученые еще в 1952 году. Однако потребовалось пятьдесят лет, чтобы ученые смогли увидеть в нанотрубках перспективный и полезный материал. Одним из поразительных свойств этих нанотрубок является то, что их свойства определяются геометрией. Так от угла скручивания зависят их электрические свойства — нанотрубки могут демонстрировать полупроводниковую и металлическую проводимость.

Виды

Многие перспективные направления в нанотехнологиях сегодня связывают именно с углеродными нанотрубками. Если просто, то углеродные нанотрубки представляют гигантские молекулы или каркасные структуры, которые состоят лишь из атомов углерода. Легко представить такую нанотрубку, если вообразить, что происходит сворачивание в трубку графена – это один из молекулярных слоев графита. Метод сворачивания нанотрубок во многом определяет конечные свойства данного материала.

Естественно, что никто не создает нанотрубки, специально сворачивая их из листа графита. Образуются нанотрубки сами, к примеру, на поверхности угольных электродов либо между ними при дуговом разряде. Атомы углерода при разряде испаряются с поверхности и соединяются между собой. В результате образуются нанотрубки различного вида – многослойные, однослойные и с различными углами закручивания.

Основная классификация нанотрубок как раз идет по числу составляющих их слоев:

• однослойные нанотрубки – самый простой вид нанотрубок. Большая их часть из них имеют диаметр порядка 1 нм при длине, которая может получиться в тысячи раз больше;
• многослойные нанотрубки, состоящих из нескольких слоев графена, они складываются в форме трубки. Между слоями образуется расстояние 0,34 нм, то есть идентичное расстоянию между слоями в кристалле графита.

Нанотрубки представляют протяженные цилиндрические структуры углерода, которые могут иметь длину до нескольких сантиметров и диаметр от одного до нескольких десятков нанометров. В то же время сегодня имеются технологии, которые позволяют сплетать их в нити неограниченной длины. Они могут состоять из одной или нескольких графеновых плоскостей, свернутых в трубку, которые обычно заканчиваются полусферической головкой.

Диаметр нанотрубок составляет несколько нанометров, то есть несколько миллиардных долей метра. Стенки углеродных нанотрубок выполнены из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Трубки могут иметь разный тип строения, именно он влияет на их механические, электронные и химические свойства. Однослойные трубки имеют меньше дефектов, в то же время после отжига при высокой температуре в инертной атмосфере удается получить и бездефектные варианты трубок. Многослойные нанотрубки отличаются от стандартных однослойных существенно более широким разнообразием конфигураций и форм.

Синтезировать углеродные нанотрубки можно разными способами, но наиболее распространенными являются:

• Дуговой разряд. Метод обеспечивает получение нанотрубок на технологических установках для выработки фуллеренов в плазме дугового разряда, который горит в атмосфере гелия. Но здесь применяются иные режимы горения дуги: более высокое давление гелия и низкие плотности тока, а также катоды большего диаметра. В катодном осадке находятся нанотрубки длиной до 40 мкм, они растут перпендикулярно от катода и объединяются в цилиндрические пучки.
• Метод лазерной абляции. Метод базируется на испарении мишени из графита в специальном высокотемпературном реакторе. Нанотрубки образуются на охлажденной поверхности реактора в виде конденсата испарения графита. Данный метод позволяет преимущественно получать однослойные нанотрубки с контролем необходимого диаметра посредством температуры. Но указанный метод существенно дороже других.
• Химическое осаждение из газовой фазы. Данный метод предполагает подготовку подложки со слоем катализатора – это могут быть частицы железа, кобальта, никеля или их комбинаций. Диаметр нанотрубок, выращенных указанным способом, будет зависеть от размера используемых частиц. Подложка нагревается до 700 градусов. Для инициации роста нанотрубок вводятся в реактор углеродосодержащий газ и технологический газ (водород, азот или аммиак). Нанотрубки растут на участках катализаторов из металла.

• Применения в фотонике и оптике. Подбирая диаметр нанотрубок можно обеспечить оптическое поглощение в большом спектральном диапазоне. Однослойные углеродные нанотрубки проявляют сильную нелинейность насыщающегося поглощения, то есть при достаточно интенсивном свете они становятся прозрачными. Поэтому они могут применяться для разных приложений в области фотоники, к примеру, в маршрутизаторах и коммутаторах, для создания ультракоротких лазерных импульсов и регенерации оптических сигналов.
• Применение в электронике. На данный момент заявлено множество способов использования нанотрубок в электронике, однако реализовать удается лишь небольшую ее часть. Наибольший интерес вызывает применение нанотрубок в прозрачных проводниках в качестве термоустойчивого межфазного материала.

Актуальность попыток внедрения нанотрубок в электронике вызвано необходимостью замены индия в теплоотводах, которые применяются в транзисторах большой мощности, графических процессорах и центральных процессорах, ведь запасы этого материала уменьшаются, а цена на него растет.

• Создание сенсоров. Углеродные нанотрубки для сенсоров – одно из наиболее интересных решений. Ультратонкие пленки из одностенных нанотрубок на данный момент могут стать наиболее лучшей основой для электронных сенсоров. Производить их можно с применением разных методов.
• Создание биочипов, биосенсоров, контроля адресной доставки и действия лекарств в биотехнологической отрасли. Работы в данном направлении сегодня вовсю ведутся. Высокопроизводительный анализ, выполняемый с использованием нанотехнологий, позволит существенно уменьшить время, которое нужно для вывода технологии на рынок.
• Сегодня резко растет производство нанокомпозитов, в основном полимерных. При введении в них даже небольшого количества углеродных нанотрубок обеспечивается существенное изменение свойств полимеров. Так у них повышается термическая и химическая устойчивость, теплопроводность, электропроводность, улучшаются механические характеристики. Усовершенствованы десятки материалов при помощи добавления в них углеродных нанотрубок;

— композитные волокна на основе полимеров с нанотрубками;
— керамические композиты с добавками. Увеличивается трещиностойкость керамики, появляется защита электромагнитного излучения, увеличивается электро- и теплопроводность;
— бетон с нанотрубками – повышается марка, прочность, трещиностойкость, уменьшается усадка;
— металлические композиты. Особенно медные композиты, у которых механические свойства в несколько раз выше, чем у обычной меди;
— гибридные композиты, в которых содержатся сразу три компонента: неорганические или полимерные волокна (ткани), связующее вещество и нанотрубки.

Среди достоинств углеродных нанотрубок можно отметить:

• Множество уникальных и по-настоящему полезных свойств, которые можно применять в области внедрения энергоэффективных решений, фотоники, электроники, и иных приложений.
• Это наноматериал, который обладает высоким коэффициентом прочности, превосходной тепло- и электропроводностью, огнестойкостью.
• Улучшение свойств других материалов при внедрении в них небольшого количества углеродных нанотрубок.
• Углеродные нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект, то есть они могут втягивать в себя расплавленные металлы и иные жидкие вещества;
• Нанотрубки сочетают в себе свойства твердого тела и молекул, что открывает значительные перспективы.

Среди недостатков углеродных нанотрубок можно отметить:

• Углеродные нанотрубки на данный момент не производятся в промышленных масштабах, поэтому их серийное применение ограничено.
• Стоимость производства углеродных нанотрубок высока, что также ограничивает их применение. Тем не менее, ученные усиленно работают над снижением себестоимости их производства.
• Необходимость совершенствования технологий производства для создания углеродных нанотрубок с точно заданными свойствами.

В ближайшем будущем углеродные нанотрубки будут применяться повсеместно, из них будут создаваться:

• Нановесы, композитные материалы, сверхпрочные нити.
• Топливные элементы, прозрачные проводящие поверхности, нанопровода, транзисторы.
• Новейшие нейрокомпьютерные разработки.
• Дисплеи, светодиоды.
• Устройства для хранения металлов и газов, капсулы для активных молекул, нанопипетки.
• Медицинские нанороботы для доставки лекарств и проведения операций.
• Миниатюрные датчики с ультравысокой чувствительностью. Такие нанодатчики могут найти применение в биотехнологических, медицинских и военных применениях.
• Трос для космического лифта.
• Плоские прозрачные громкоговорители.
• Искусственные мышцы. В будущем появятся киборги, роботы, инвалиды будут возвращаться к полноценной жизни.
• Двигатели и генераторы энергии.
• Умная, легкая и комфортная одежда, которая будет защищать от любых невзгод.
• Безопасные суперконденсаторы с быстрой зарядкой.

Все это в будущем, ведь промышленные технологии создания и использования углеродных нанотрубок находятся на начальном этапе развития, а цена их крайне дорога. Но российские ученые уже заявили, что они нашли способ снизить стоимость создания этого материала в двести раз. Эта уникальная технология производства углеродных нанотрубок на данный момент держится в секрете, но она должна произвести революцию в промышленности и во многих иных областях.

Похожие темы:

ВОЗМОЖНОСТИ БИОМЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК | Митрофанова

1. Mahmood M. Cytotoxicity and biological effects of functional nanomaterials delivered to various cell lines // J. Appl. Toxi-col. 2010. No. 30. P. 74–83.

2. Cheng J., Meziani M.J., Sun Y.-P., Cheng S.H. Poly(ethylene glycol)-conjugated multi-walled carbon nanotubes as an efficient drug carrier for overcoming multidrug resistance // Toxicology and Applied Pharmacology. 2011. No. 250. P. 184–193.

3. Bi S., Zhou H., Zhang S. Multilayers enzyme-coated carbon nanotubes as biolabel for ultrasensitive chemiluminescence immunoassay of cancer biomarker // Biosensors and Bioelectronics. 2009. No. 24. P. 2961–2966.

4. Yang F., Hu J., Yang D., Long J., Luo G., Jin C., Yu X., Xu J., Wang C., Ni Q., Fu D. Pilot study of targeting magnetic carbon nanotubes to lymph nodes // Nanomed. 2009. No. 4. P. 317–330.

5. Yinghuai Z., Peng A.T., Carpenter K., Maguire J.A., Hosmane N.S., Takagaki M. Substituted carborane-appended water-soluble single-wall carbon nanotubes: new approach to boron neutron capture therapy drug delivery // J. Am. Chem. Soc. 2005. № 127. P. 9875–9880.

6. Vivek S.T., Manasmita D., Amit K.J., Swapnil P., Sanyong J. Carbon nanotubes in cancer theragnosis // Nanomedecine. 2010. No. 5. P. 1277–1301.

7. Pacurari M., Yin X, Zhao J., Ding M., Leonard S., Schwegler-Berry D., Ducatman B., Sbarra D., Hoover M., Castranova V., Vallyathan V. Raw single-wall carbon nanotubes induce oxidative stress and active MAPKs, AP-1, NF-KappaB, and AKT in normal and malignant human mesothelial cells // Environmental Health Perspectives. 2008. V. 116, no. 9. P. 1211–1217.

8. Lam C.W, James J.T, McCluskey R., Hunter R.L. Pulmonary toxicity of single-wall carbon nanotubes in mice 7 and 90 days intratracheal instillation // Toxicol. Sci. 2004. No. 77. P. 126–134.

9. Mercer R.R., Scabilloni J., Wang L., Kisin E., Murray A.R., Schwegler-Berry D. Alteration of deposition pattern and pulmonary response as a result of improved dispersion of aspirated single-walled carbon nanotubes in a mouse model // Am. J. Physiol. Lung. Cell. Mol. Physiol. 2008. No. 294. P. 87–97.

10. Folkmann J., Risom L., Jacobsen N., Wallin H., Loft S., Meller P. Oxidatively damaged DNA in rats exposed by oral gavage to C60 fullerenes and single-walled carbon nanotubes // Environmental Health Perspectives. 2009. V. 117, no. 5. P. 1557–1566

11. Ma Y., Zheng Y., Huang X., Xi T., Lin X., Han D., Song W. Mineralization behavior and interface properties of BG-PVA/bone composite implants in simulated body fluid // Biomed Mater. 2010. V. 2, no. 5. P. 25003

12. Tsuda H., Xu J., Sakai Y., Futakuchi M., Fukamachi K. Toxicology of engineered nanomaterials – a review of carcinogenic potential // Asian Pacific Journal of Cancer Prevention. 2009. V. 10. P. 975–980.

13. Reilly R.M. Carbon nanotubes: potential benefits and risks of nanotechnology in nuclear medicine // The J. of nuclear medicine. 2007. V. 48, no. 7. P. 1039–1042.

14. Sato Y., Yokoyama A., Shibata K. and al. Influence of length on cytotoxicity of multi-walled carbon nanotubes against human acute monocytic leukemia cell line THP-1 in vitro and subcutaneous tissue of rats in vivo // Mol. BioSyst. 2005. no. 1. P. 176–182.

15. Yamashita K. Carbon nanotubes elicit DNA damage and inflammatory response relative to their size and shape // Inflammation. 2010. V. 33, no. 4. P. 276–280.

16. Shvedova A.A., Fabisiak J.P., Kisin E R., Murray A.R., Roberts J.R., Tyurina Y.Y. Sequential exposure to carbon nanotubes and bacteria enhances pulmonary inflammation and infectivity // Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. 2008. V. 5, no. 38. P. 579−590.

17. Carter A. Learning from history: understanding the carcinogenic risks of nanotechnology // News JNCI. 2008. V. 100, no. 23. P. 1664–1665.

18. Pan B., Cui D., Xu P., Ozkan C., Feng G., Ozkan M., Huang T., Chu B., Li Q., He R., Hu G. Synthesis and characterization of polyamidoaminedendrimer-coated multi-walled carbon nanotubes and their application in gene delivery systems // Nanotechnology. 2009. No. 20. P. 10–33.

19. Benito J.M., Garcia M.G., Mellet C.O., Baussanne I., Defaye J., Fernandez M.G. Optimizing saccharide-directed molecular delivery to biological receptors: design, synthesis, and biological evaluation of glycodendrimer-cyclodextrin conjugates // J. Am. Chem. Soc. 2004. No. 126. P. 1035–1040.

20. Cui D., Tian F., Ozkan CS., Wang M., Gao H. Effect of single wall carbon nanotubes on human HEK293 cells // Toxicol. Lett. 2005. V. 1, no. 155. P. 73–85.

21. Bartholomeusz J., Cherukuri P., Kingston J., Cognet L., Lemos R., Leeuw T.K., Russo G., Weisman R., Powis G. In vivo therapeuticsilencing of Hypoxia-Inducible Factor 1 alpha (HIF-1α) using single walled carbon nanotubes noncovalently coated with siRNA // Nano Res. 2009. V. 4, no. 2. P. 279–291.

22. Zheng M., Jagota A., Semke E.D., Diner B.A., Mclean R.S., Lustig S.R., Richardson R.E., Tassi N.G. DNA-assisted dispersion and separation of carbon nanotubes // Nat. Mater. 2003. No. 2. P. 338–342.

23. Coccinia T., Rodab E., Sarigiannisc D.A., Mustarellid P., Quartaroned E., Profumoe A., Manzoa L. Effects of water-soluble functionalized multi-walled carbon nanotubes examinated by different cytotoxicity methods in human astrocyte D384 and lung A549 cells // Toxicology. 2010. No. 269. P. 41–53.

24. Shvedova A.A., Kisin E.R., Porter P., Schulte P., Kagan V.E., Fadeel B., Castranova V. Mechanism of pulmonary toxicity and medical applications of carbon nanotubes: two faces of Janus? // Pharmacology & Therapeutics. 2009. No. 121. P. 192–204.

25. Bhirde A.A., Patel V.,Gavard J., Zhang G., Sousa A.A, Masedunskas A., Leapman R.D., Weigert R., Gutkind J. Targeted killing of cancer cells in vivo and in vitro with EGF-directed carbon nanotube-based drug delivery // ACS Nano. 2009. V. 2, no. 3. P. 307–316.

26. Singh R., Pantarotto D., McCarthy D. Binding and condensation of plasmid DNA onto functionalized carbon nanotubes: toward the construction of nanotube No. 127. P. 4388.

27. Ji S., Liu C., Zhang B., Yang F. Carbon nanotubes in cancer diagnosis and therapy // Biochimica et Biophysica Acta. 2010. No. 1806. P. 1121–112.

28. McDevitt M.R., Chattopadhyay D., Jaggi J.S., Finn R.D., Zanzonico P.B., Villa C., Rey D., Mendenhall J., Batt C.A., Njardarson J.T., Scheinberg D.A. PET imaging of soluble yttrium-86-labeled carbon nanotubes in mice // PLoS ONE. 2007. No. 2. P. 145–167.

29. Kaul G., Amiji M. Biodistribution and targeting potential of poly(ethylene glycol)-modified gelatin nanoparticles in subcutaneous murine tumor model // J. Drug Target. 2004. V. 9–10, no. 12. P. 585–591.

30. Otsuka H., Nagasaki Y., Kataoka K. PEGylated nanoparticles for biological and pharmaceutical applications // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2003. № 55. P. 403–419.

31. Duong H.M., Papavassiliou D.V., Mullen K.J. et al. Computational modeling of the thermal conductivity of single-walled carbon nanotube-polymer composites // Int. J. Heat Mass Transfer. 2009. V. 23–24, no. 52. P. 5591–5597.

32. Bianco A., Kostarelos K., Partidos C.D., Prato M. Biomedical applications of functionalized carbon nanotubes // Chem. Commun. (Cambridge, UK). 2005. № 5. P. 571–577.

33. Chen J., Chen S., Zhao X.,Kuznetsova L.V., Wong S.S., Ojima I. Functionalized single-walled carbon nanotubes as rationally designed vehicles for tumor-targeted drug delivery // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 49, no. 130. P. 16778–16785.

34. Sayes C., Liang F., Hudson J., Mendez J., Guo W., Beach J., Moore V., Doyle C., West J., Billups W., Ausman K., Colvin V. Functionalization density dependence of single-walled carbon nanotubes cytotoxicity in vitro // Toxicol. Lett. 2006. No. 161. P. 135–42.

35. McDevitt M.R. Tumor targeting with antibody-functionalized, radiolabeled carbon nanotubes // The J. of nuclear medicine. 2007. V. 48, no. 7. P. 1180–1189.

36. Bianco A., Kostarelos K., Prato M. Applications of carbon nanotubes in drug delivery // Curr. Opin. Chem. Biol. 2005. No. 9. P. 674–679.

37. De La Zerda A., Zavaleta C., Keren S. Carbon nanotubes as photoacoustic molecular imaging agent in living mice // Nat. Nanotechnol. 2008. V. 9, no. 3. P. 557–562.

38. Yu X., Zhang Y., Chen C., Yao Q., Li M. Targeted drug delivery in pancreatic cancer // Biochimica et Biophysica Acta. 2010. No. 1805. P. 97–104.

39. Kateb B., Yamamoto V., Alizadeh D., Zhang L., Manohara H.M., Bronikowski M.J., Badie B. Multi-walled carbon nanotube (MWCNT) synthesis, preperetion, labeling, and functionalization // Immunotherapy of Cancer, Methods in Molecular Biology. 2010. No. 651. P. 307–317.

40. Ting G., Chang C.-H. and Wang H. Cancer nanotergeted radiopharmaceutical for tumor imaging and therapy // Anticancer Researche. 2009. No. 29. P. 4107–4118.

41. Pastorin G., Wu W., Wieckwski S., Briand J.P., Kostarelos K., Prato M., BiancoA. Double functionalization of carbon nanotubes for multimodal drug delivery // Chem. Commun. 2006. No. 11. P. 1182–1184.

42. Mahmood M., Karmakar A., Fejleh A., Mocan T., Iancu C., Mocan L., Iancu D.T., Xu Y., Dervishi E., Li Z., Biris A.R., Agarwal R., Ali N., Galanzha E.I., Biris A.S., Zharov V.P. Synergistic enhancement of cancer therapy using a combination of carbon nanotubes and anti-tumor drug // Nanomedicine. (London). 2009. No. 4. P. 883–893.

43. Dumortier H., Lacotte S., Pastorin G., Marega R., Wu W., Bonifazi D., Briand J.P., Prato M., Muller S., Bianco A. Functionalized carbon nanotubes are non-cytotoxic and preserve the functionality of primary immune cells // Nano Lett. 2006. No. 6. P. 1522–1528.

44. Liu Z., Davis C., Cai W., He L., Chen X., Dai H. Circulation and long-term fate of functionalized, biocompatible single-walled carbon nanotubes in mice probes by Raman spectroscopy // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. No. 105. P. 1410–1415.

45. Weng X., Wang M., Ge J., Yu S., Liu B., Zhong J., Kong J. Carbon nanotubes as a protein toxin transporter for selective HER2-positive breast cancer cell destruction // Mol. BioSyst. 2009. № 5. P. 1224–1231.

46. Liu Z., Fan A.C., Rakhra K., Sherlock S., Goodwin A., Chen X., Yang Q., Felsher D.W., Dai H. Supramolecular stacking of doxorubicin on carbon nanotubes for in vivo cancer therapy // Angew. Chem. Int. Ed Engl. 2009. V. 41, no. 48. P. 7668–7672.

47. Subbiah R.P., Veerapandian M., Sadhasivam S., Yun K. Structural and biological evaluation of a multifunctional SWCNT-AgNPs-DNA/PVA bio-nanofilm // Electronic supplementary material. 2011. No. 4. P. 547–560.

Углеродные нанотрубки создают новую отрасль промышленности и материаловедения

Эдуард Раков, доктор химических наук, заведующий кафедрой нанотехнологии и наноматериалов РХТУ им. Д.И. Менделеева

Вещества категории «нано», то есть с частицами менее 100 нм, сегодня представлены техническим углеродом (сажа) и кремнегелем («белая сажа»). Объемы производства других наноматериалов несопоставимо ниже. Но сейчас ситуация меняется, на рынок вышли углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки — это протяженные цилиндрические структуры, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных (геометрически похожих на пчелиные соты) графитовых плоскостей.

Углеродные микротрубки были запатентованы в конце XIX века, а нанотрубки впервые получены в московском Институте физической химии в 1950-х годах, затем в Японии в 1970-х и, наконец, «открыты» в Японии в 1991 году. С тех пор интерес к трубкам неуклонно рос.

По набору нужных свойств у нанотрубок нет аналогов

Связь атомов углерода друг с другом в нанотрубках имеет рекордную прочность. Модуль Юнга (величина размерности давления, характеризующая сопротивление вещества растяжению или сжатию) нанотрубок более 1 ТПа (около 1 млн атмосфер — выше, чем у алмаза). Теплопроводность нанотрубок в восемь раз выше, чем у меди, а электропроводность не подчиняется закону Ома. Плотность тока в трубках может в тысячу раз превышать плотность, при которой медный провод взрывается.

Мировое производство нанотрубок превысило 1000 тонн в год. Использование материалов из углеродных нанотрубок или содержащих углеродные нанотрубки стало новым сектором экономики, который не был затронут мировым финансовым кризисом.

Общемировая потребность в нанотрубках в 2010 году оценена в 10 тысяч тонн. Их производит более 40 компаний. Немецкая Bayer планирует к 2012 году расширить производственные мощности до 3000 т/г, французская Arkema имеет завод с годовой производительностью 400 т, китайская CNano — 500 т/г, а бельгийская Nanocyl — 400 т/г. До 500 т/г увеличивает производство углеродных нановолокон японская Showa Denko.

Согласно аналитическому отчету, опубликованному в апреле 2011 года компанией MarketsandMarkets, рынок нанотрубок в 2016 году достигнет $3,3 млрд, а его ежегодный рост — 12,4%.

Наноструктурированные материалы делятся на две большие группы. Материалы одной на 95-100% состоят из нанотрубок. Материалы второй — нанокомпозиты — наоборот, нанотрубок содержат немного, до 5%.

Материалы из нанотрубок

Форма нанотрубок позволяет укладывать их двояко: хаотично или упорядоченно, — что влияет на свойства материалов. Нанотрубки можно модифицировать, присоединять к ним различные химические группы и наночастицы. Это также меняет свойства самих нанотрубок и материалов их них.

К материалам первой группы относятся «монолитные» структуры из нанотрубок; покрытия, пленки и нанобумага из трубок; волокна из трубок; «лес» — нанотрубки, расположенные параллельно друг другу и перпендикулярно подложке. «Монолитные» материалы не получили широкого распространения.

Из спутанных длинных нанотрубок выделена «резина», устойчивая к разрушению при циклических нагрузках и температурах от -140 до +900 оС. Ее показатели далеко превосходят силиконовую резину, которую считают лучшим вязкоэластичным материалом.

Покрытия, пленки и нанобумагу получают либо в ходе синтеза трубок, либо из их дисперсий (коллоидных растворов). Первая группа методов — высокотемпературная, вторая нагревания не требует. Простейший макроматериал из трубок — нанобумага — имеет толщину 10-30 нм и производится фильтрацией дисперсий.

Компания Nanocomp Technologies (США) продает листы нанобумаги площадью около 3 м2 и планирует создать производство мощностью 4-6 т/г. Реализованы методы получения рулонов нанобумаги.

Из нанобумаги делают фильтры (в том числе для удаления вирусов или обессоливания воды), защиту от электромагнитного излучения, детали нагревателей, сенсоры, актюаторы, полевые эмиттеры, электроды электрохимических устройств, носители катализаторов и др.

Прозрачные электропроводные пленки и покрытия конкурируют с твердым раствором оксидов индия и олова и способны заменять этот дорогой и хрупкий материал в приборах электроники, сенсорики и фотовольтаики.

Американская компания Eikos разработала и с 2005 года поставляет состав Invisicon ink для нанесения на подложки тонких пленок из нанотрубок.

Волокна из углеродных нанотрубок казались идеальным материалом троса «космического лифта» для экономичного подъема грузов на околоземную орбиту. Однако перенос свойств нанотрубок на макроматериалы оказался далеко не простой задачей.

Волокна получают разными способами. «Сухие» способы включают формирование из аэрогеля, образующегося в процессе пиролиза углеводородов, и прядение из «леса».

Технология вытягивания и скручивания волокон из аэрогеля — «мягкого дыма» — разработана в Кембриджском университете. В реакционную зону с высокой температурой подают углеводород, из которого образуется аэрогель (т.е. гель, в котором жидкая фаза полностью заменена газообразной). Из него, как в старину из кудели, прядут волокно. В Израиле в 2010 году создана компания для изготовления бронежилетов и защитных покрытий из гибридных композитов, содержащих кембриджские нанотрубки.

Прядение из «леса» напоминает получение шелковых нитей из коконов шелкопряда.

Растворные способы получения волокон — экструзия дисперсий в поток жидкости или вытягивание из коллоидных растворов в суперкислотах (кислотах сильнее серной).

Компания Nanocomp Technologies объявила о поставках прочных волокон длиной до 10 км, для изготовления которых используют длинные нанотрубки. Крученые нити имеют прочность 3 ГПа и по некоторым показателям уже превосходят кевлар.

«Лес» по набору свойств не имеет аналогов — это упругий, электро- и теплопроводный материал, способный принимать разные формы и подвергаться модифицированию. В 2004 году был описан высокопроизводительный процесс суперроста «леса»: получение очень чистых углеродных нанотрубок длиной до 15-18 мм, — который значительно снижает их себестоимость.

В Японии готовится пуск производства, основанного на процессе суперроста. Мощность его всего 600 г/ч однослойных нанотрубок, но вскоре ее планируют довести до 10 т/г.

«Лес» можно использовать для создания электродов суперконденсаторов, полевых эмиттеров и солнечных батарей, как компонент композитов на основе полимеров. Укладкой «леса» на поверхность подложки получены плотные ленты. По удельной электропроводности они могут превзойти металлы и найдут применение в авиакосмической отрасли.

Ленты для искусственных мускулов из параллельно расположенных нанотрубок действуют при температурах от 80 до 1900 К и при приложении электрического потенциала обеспечивают очень высокое удлинение. Такие преобразователи электричества в механическую энергию значительно эффективнее пьезокристаллов.

Материалы с примесью нанотрубок

Резко растет производство материалов второй группы —нанокомпозитов, главным образом полимерных Введение даже небольших количеств углеродных нанотрубок заметно меняет свойства полимеров, придает электропроводность, повышает теплопроводность, улучшает механические характеристики, химическую и термическую устойчивость. Созданы нанокомпозиты на основе десятков различных полимеров, разработано много способов их получения.

Широкое применение могут найти созданные на основе полимеров с нанотрубками композитные волокна.

Практически все производимые компанией Bayer нанотрубки используют для композитов из полимеров. Компания Arkema поставляет свои нанотрубки для композитов из термопластов, а Nanocyl — для термоусадочных полимеров и препрегов с углеродными волокнами (препреги — композитные материалы-полуфабрикаты для дальнейшей обработки).

Американская компания Hyperion Catalysis Int., пионер промышленного производства нанотрубок, выпускает концентраты для введения в эпоксидную смолу и полимеры.

Керамические композиты созданы на основе многих тугоплавких веществ, однако по промышленному освоению заметно уступают нанокомпозитам на основе полимеров. Как и в случае полимеров, добавки небольших количеств нанотрубок увеличивают электро- и теплопроводность, придают способность защищать от электромагнитного излучения, а главное — увеличивают трещиностойкость керамик.

Введение очень малых количеств нанотрубок в бетон повышает его марку, трещиностойкость, прочность и уменьшает усадку.

Металлические композиты созданы с распространенными цветными металлами и сплавами. Наибольшее внимание уделяется медным композитам, механические свойства которых в два-три раза выше, чем у меди. Многие составы имеют повышенную прочность и твердость, меньшие коэффициенты термического расширения и трения.

Гибридные композиты обычно содержат три компонента: полимерные или неорганические волокна (ткани), нанотрубки и связующее. К этому классу относятся препреги.

На производстве препрегов с нанотрубками специализируется американская компания Zyvex Performace Materials. Нанотрубки повышают прочность и жесткость препрегов на 30-50%. Препреги использованы для создания беспилотных морских разведывательных катеров «Пиранья».

В США в 2009 году полетел первый самолет для воздушной акробатики с обтекателем двигателя из композита с нанотрубками. Некоторые элементы планера самолета F-35 компании Martin Lockheed изготовлены из таких композитов, примерно 100 деталей планера пассажирского Boeing 787 предполагается делать с применением нанотрубок.

Компания Nanocyl производит эпоксидную смолу с трубками Epocyl и препреги Pregcyl на основе стекловолокон, углеродных или арамидных волокон. Добавки повышают трещиностойкость на 100%, межслоевую прочность на сдвиг на 15% и уменьшают коэффициент термического расширения. Предполагается использовать композиты в автомобильной и авиационной промышленности, для бронежилетов. Они снижают массу 49-метровых лопастей ветроустановок с 7,3 до 5,8 т.

Финская компания Amroy Europe Oy, используя нанотрубки производства Bayer, выпускает эпоксидный концентрат Hybtonite для морских судов, ветрогенераторов, спортивного инвентаря и др.

Для препрегов канадская Nanoledge использует трубки компании Bayer, а Nanocomp Technologies выпускает большие по площади листы и рулоны нанобумаги.

Гибридные композиты могут проявлять свойства сенсора повреждений.

С различными матрицами созданы также биокомпозиты. Исследуются материалы для костных имплантатов, пленки для выращивания мышечных и костных тканей, сетчатки и эпителиальных клеток глаза, сетей нейронов, а также биофункциональные композиты и биосенсоры.

Примеры не исчерпывают всего разнообразия и свойств материалов с нанотрубками. Их области применения расширяются, они начинают определять уровень развития наноструктурного материаловедения, общее состояние науки и техники отдельных стран.

Не вылететь в нанотрубку | Строительная газета

Не вылететь в нанотрубку

17.05.18

Современные продукты из графена могут получить широкое применение в строительстве при условии, что удастся снизить их стоимость

Одностенные углеродные нанотрубки — продукт, который может кардинально изменить свойства материалов, в том числе и строительных. Если просто, то трубки — это лист графена, свернутый в полый цилиндр. Область применения углеродных нанотрубок исключительно широка — от медицины до строительства. Так, например, введение их в качестве модификатора в бетон придает последнему электропроводность, термостойкость и повышенную прочность. Добавление даже 0,01% нанотрубок в материал существенно меняет его свойства. Тесты по сверлению и истиранию материалов, модифицированных нанотрубками, проведенные в Европе, показали, что одностенные углеродные нанотрубки не покидают матрицу материала при его механическом повреждении.

«Прелесть нанотрубок еще и в их чрезвычайно низких концентрациях, необходимых для кардинального изменения свойств материалов, — говорит академик РАН Михаил Предтеченский. — Например, одного килограмма нанотрубок хватит, чтобы улучшить километр асфальтированной трассы — срок службы асфальта будет в четыре раза длиннее».

Еще одно из возможных направлений применения модифицированных с помощью нанотрубок бетонных смесей: защита трубопроводов на морских шельфах, на дне рек, в обводненной и болотистой местности, в промерзающем грунте. Российской компанией «БТ СВАП» уже накоплен опыт при строительстве подводных переходов в Охотском, Черном и Каспийском морях, через Куйбышевское водохранилище, на Сахалине и Ямале. Директор фирмы по науке и технологиям Сергей Меликов отмечает, что применение углеродных нанотрубок улучшило характеристики защитных и утяжеляющих покрытий трубопроводов: прочность, водонепроницаемость, удобство при укладке. При этом за счет улучшенных характеристик наномодифицированной бетонной смеси удалось снизить стоимость самого защитного покрытия. Попутно заметим, что бетонные смеси для защитного и утяжеляющего универсального бетонного покрытия с добавлением одностенных углеродных нанотрубок компании «БТ СВАП» получили европейский сертификат соответствия. Дело за малым — утверждение российских стандартов применения наноматериалов для обычных бетонов, композитов, пластиков, металлов, массово используемых в строительстве. Применение углеродных нанотрубок в составах бетонных смесей было рекомендовано Фондом инфраструктурных и образовательных программ по результатам их сертификации в Системе сертификации продукции наноиндустрии «Наносертифика».

По мнению проректора по научной работе МГСУ, одного из ведущих специалистов в области новых материалов для строительства Андрея Пустовгара, применение нанотрубок для модификации строительных материалов является действительно перспективным направлением. Правда, оговаривается эксперт, только в том случае, если мы не сведем это только к простому добавлению нанотрубок в бетонную смесь с целью повысить прочность при сжатии на 30% или даже 50%, не принимая во внимание стоимость бетона.

«Применение нанотрубок, на мой взгляд, эффективно, прежде всего, при создании покрытий и материалов с управляемыми магнитными, электрическими и теплотехническими свойствами, — говорит Пустовгар. — Данный подход позволит создавать интеллектуальные здания, в которых функцию нейронной управляющей сети будут выполнять покрытия, модифицированные нанотрубками и другими нанообъектами». Изменение проводимости различных участков покрытий, например, ограждающих конструкций, позволит наделить их функцией отслеживания координат нажатия, превратив их в тач-панели (Touch Panel) — визуальное устройство, которое позволяет пользователю управлять системами освещения и инженерными системами зданий и сооружений путем нажатия на его поверхность.

Получится, что системы электроснабжения будут «нарисованы» на стене, а включение и выключение инженерного оборудования станет возможным осуществлять путем нажатия на выделенный цветом участок стены. «Создание «умных» покрытий строительных конструкций — это одно из основных направлений, на котором нужно сконцентрировать научные и прикладные исследования применения нанотрубок в строительных материалах, — уверен профессор МГСУ. — Это открывает перспективы создания когнитивных систем зданий и сооружений, в которых покрытия будут обладать способностью к пониманию процессов, происходящих внутри и снаружи здания и адекватно реагировать на них».

Научный консультант ФАУ ФЦС Минстроя России Александр Цернант подтверждает, что нанотрубки применяются для модифицирования материалов, в которых благодаря им образуются матрицы. К таким модифицируемым материалам, в частности, относятся бетоны и полимерные композиты. «Этот вопрос подробно изучен наукой, ЦНИИС имеет патенты на применение углеродных нанотрубок для повышения качества матрицы различных бетонов, — рассказывает Александр Цернант. — Модификация бетона на наноуровне придает конструкциям более высокие потребительские свойства. Это доказано. Сейчас, когда технология изготовления наноструктур освоена, ее применение становится естественным процессом. Ключевым критерием остается стоимость такой модификации, поэтому их применение должно быть обосновано с технической и с экономической точек зрения».

Действительно, цена продукта пока относительно высока. Сегодня на рынке присутствуют два крупных производителя нанотрубок — российская фирма OCSiAl (портфельная компания РОСНАНО) и японская Zeon. Японцы продают трубки по цене около 10 тысяч за килограмм при ежегодном производстве около тонны. Это сильно ограничивает промышленное применение их продукции. В российской компании утверждают, что им удалось существенно снизить цену продукта — фирма готова запустить установку мощностью 50 тонн нанотрубок в год по цене от 100 до 200 долларов за килограмм. Кстати, OCSiAl — первый в мире производитель одностенных углеродных нанотрубок, прошедший сертификацию в соответствии с регламентом Европейского союза REACH. Это позволит компании ежегодно поставлять до 10 тонн нанотрубок в Европу и значительно расширить их применение в различных отраслях.

Справочно

Коэффициент прочности одностенных углеродных нанотрубок — 50 ГПа, стали — 1 ГПа.

Харрис П. Углеродные нано-трубки: синтез, свойства и применение (Новосибирск, 2016)

Предисловие автора к английскому изданию ........................ 5
Предисловие редактора перевода .................................. 6

1  Введение ..................................................... 7
   1.1  Бакминстерфуллерен ...................................... 8
   1.2  Фуллерен-сопутствующие углеродные нанотрубки ............ 9
   1.3  Одностенные и двухстенные нанотрубки ................... 10
   1.4  Углеродные трубки, получаемые каталитическим методом ... 12
   1.5  Кто открыл углеродные нанотрубки? ...................... 12
   1.6  Публикации по нанотрубкам .............................. 14
   1.7  Основное содержание по главам .......................... 15
   Литература .................................................. 16
4  Очистка и способы применения ................................ 18
   4.1  Очистка многостенных нанотрубок ........................ 18
        4.1.1  МУНТ, получаемые испарением в дуговом разряде ... 18
        4.1.2  МУНТ, полученные каталитически .................. 19
   4.2  Очистка одностенных нанотрубок ......................... 20
        4.2.1 Кислотная обработка и окисление .................. 20
        4.2.2  Модификация ..................................... 22
        4.2.3  Физические методики ............................. 22
        4.2.4  Оценка чистоты углеродных нанотрубок ............ 23
   4.3 Применение многослойных нанотрубок ...................... 23
        4.3.1  Подвешивание многослойных нанотрубок и сборка
               чистых МУНТ ..................................... 23
        4.3.2  Упорядочение и монтаж одностенных нанотрубок .... 24
        4.3.3  Чистые МУНТ-волокна ............................. 26
        4.3.4  МУНТ-листы ...................................... 27
        4.3.5  Резка и укорачивание нанотрубок ................. 27
   4.4 Применение одностенных углеродных нанотрубок ............ 28
        4.4.1  Упорядочение и монтаж ОСУНТ ..................... 28
        4.4.2  Распределения чистых ОСУНТ ...................... 30
        4.4.3  ОСУНТ-листы ..................................... 31
        4.4.4  Контроль длины ОСУНТ ............................ 33
   4.5  Разделение металлических и полупроводниковых
        одностенных углеродных нанотрубок ...................... 34
        4.5.1Селективное удаление .............................. 34
        4.5.2 Диэлектрофорез ................................... 34
        4.5.3 Селективная модификация .......................... 35
   4.6 Обсуждение .............................................. 36
   Литература .................................................. 36
5  Структура ................................................... 42
   5.1  Атомные связи в углеродных материалах .................. 42
   5.2  Структура углеродных нанотрубок: теоретический анализ .. 44
        5.2.1  Определение вектора сворачивания углеродной
               нанотрубки ...................................... 44
        5.2.2  Элементарная ячейки нанотрубок .................. 45
        5.2.3  Классификация нанотрубок по симметрии ........... 47
        5.2.4  Дефекты гексагональной решетки .................. 48
        5.2.5  Послойная структура многостенных нанотрубок ..... 50
        5.2.6  Теория крышек нанотрубок ........................ 51
   5.3  Экспериментальные исследования: многостенные
        нанотрубки, полученные в дуговом разряде ............... 54
        5.3.1  Структура слоев: экспериментальные
               исследования .................................... 54
        5.3.2  Электронная дифракция в МУНТ .................... 57
        5.3.3  Форма профиля многостенных нанотрубок ........... 57
        5.3.4  Структура крышек МУНТ ........................... 58
        5.3.5  Коленчатые соединения и развлетвленные
               структуры ....................................... 60
   5.4  Экспериментальные исследования: многостенные
        нанотрубки, полученные каталитически ................... 61
   5.5  Экспериментальные исследования: одностенные
        нанотрубки ............................................. 63
        5.5.1  Общие закономерности ............................ 63
        5.5.2  Электронная дифракция на ОУНТ ................... 64
        5.5.3  Исследования ОУНТ на ПЭМВР ...................... 66
        5.5.4  Сканирующая туннельная спектроскопия ОУНТ ....... 68
   5.6  Дифракция нейтронов .................................... 69
   5.7  Обсуждение всего набора методов ........................ 70
   Литература .................................................. 71
6  Физические свойства I: электронные .......................... 75
   6.1  Электронные свойства графита ........................... 75
   6.2  Электронные свойства нанотрубок: теория ................ 77
        6.2.1  Зонная структура одностенных нанотрубок ......... 77
        6.2.2  Влияние изгибания и взаимодействие трубка-
               трубка .......................................... 80
        6.2.3  Электронный транспорт в нанотрубках ............. 80
        6.2.4  Влияние магнитного поля ......................... 81
   6.3  Электронные свойства нанотрубок: экспериментальные
        результаты ............................................. 83
        6.3.1  Ранние исследования многостенных нанотрубок ..... 83
        6.3.2  Корреляция между электронными свойствами и
               структурой одностенных нанотрубок ............... 84
        6.3.3  Квантовая проводимость .......................... 87
        6.3.4  Электронные свойства нанотрубок в магнитном
               поле ............................................ 90
        6.3.5  Сверхпроводимость ............................... 91
   6.4  Наноэлектронные приборы ................................ 91
        6.4.1 Диоды ............................................ 91
        6.4.2  Полевой транзистор .............................. 92
        6.4.3  Логические схемы ................................ 94
   6.5  Магнитные свойства нанотрубок .......................... 95
   6.6  Полевые эммитеры на основе нанотрубок .................. 96
   6.7  Заключение ............................................. 99
   Литература ................................................. 100
7  Физические свойства II: оптические и тепловые .............. 105
   7.1  Механические свойства углеродных нанотрубок ........... 105
        7.1.1  Теоретические предсказания ..................... 105
        7.1.2  Экспериментальные наблюдения: многостенные
               нанотрубки ..................................... 108
        7.1.3  Экспериментальные результаты: одностенные
               нанотрубки ..................................... 112
   7.2  Оптические свойства углеродных нанотрубок ............. 112
        7.2.1  Спектроскопия оптического поглощения ........... 113
        7.2.2  Флуоресцентная спектроскопия ................... 115
   7.3  Рамановская спектроскопия ............................. 117
   7.4  Тепловые свойства нанотрубок .......................... 120
   7.5  Физическая стабильность нанотрубок .................... 122
   7.6  Обсуждение ............................................ 122
   Литература ................................................. 123
8  Химическое и биологическое взаимодействие с нанорубками .... 128
   8.1  Ковалентная модификация ............................... 128
        8.1.1  Модифицикация концов нанотрубок и их дефектов .. 129
        8.1.2  Модификация боковых стенок ..................... 130
   8.2  Нековалентная модификация ............................. 135
   8.3  Анализ химически-модифицированных нанотрубок .......... 137
   8.4  Биологичекая модификация .............................. 138
        8.4.1  Протеины ....................................... 138
        8.4.2  Нуклеотиды ..................................... 140
   8.5  Токсичность нанотрубок ................................ 142
   8.6  Обсуждение ............................................ 143
   Литература ................................................. 144
11 Зонды и сенсоры ............................................ 150
   11.1 Зонды из нанотрубок для атомно-силовой микроскопии .... 151
        11.1.1 Изготовление зондов из нанотрубок:
               механическая сборка ............................ 151
        11.1.2 Изготовление зондов из нанотрубок:
               выращиванием трубок химическим осаждение из
               газовой фазы (CVD) ............................. 152
        11.1.3 Получение изображения с использованием
               АСМ-зондов ..................................... 153
   11.2 Газовые сенсоры ....................................... 155
   11.3 Биосенсоры ............................................ 157
   11.2 Физические сенсоры .................................... 158
   11.5 Заключение ............................................ 159
   Литература ................................................. 159
Общее заключение .............................................. 162
   Основные моменты по исследованию углеродных нанотрубок ..... 163
   Заключительные мысли ....................................... 166
   Литература ................................................. 166
Приложение .................................................... 168
   Литература по непереведенным главам (2,3,9,10)
   Глава 2 .................................................... 168
   Глава 3 .................................................... 173
   Глава 9 .................................................... 180
   Глава 10 ................................................... 185
Дополнение
   В.М. Ефимов. Современное состояние по применению
   углеродных нанотрубок в наноэлектронике (обзор) ............ 192
Содержание .................................................... 217

Использование нанотрубок: руководство, сертификаты, исследования

Как крупнейший в мире производитель графеновых нанотрубок, компания OCSiAl играет ведущую роль в повышении доступности информации о природе нанотрубок и формировании ответственного отношения при работе с ними. Компания инициирует как собственные, так и внешние независимые испытания и исследования нанотрубок, и уже создала серьезную базу знаний, касающихся морфологии нанотрубок TUBALL и принципов безопасной работы с ними. TUBALL соответствует всем необходимым международным, национальным и региональным нормативным требованиям основных рынков мира, включая Европейский союз и США.

МОРФОЛОГИЯ НАНОТРУБОК TUBALL™

Графеновые нанотрубки TUBALL представляют собой однослойные чрезвычайно тонкие свернутые плоскости графена, длиной более 5 мкм и диаметром 1,6 (±0,4) нм. Они обладают целым рядом исключительных характеристик, таких как превосходная электропроводность, прочность и термо- и химическая стабильность. В отличие от многостенных углеродных нанотрубок, углеродных волокон и некоторых других электропроводящих аддитивов на основе углерода, нанотрубки TUBALL демонстрируют высокую гибкость, а потому обладают целым рядом совершенно отличных от других добавок характеристик с точки зрения обеспечения охраны труда и защиты окружающей среды.

По данным Немецкого федерального института по охране труда и здоровья (BAuA), модуль упругости (или модуль Юнга) одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT) примерно в 3 раза выше, чем у многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT), а диаметр SWCNT как минимум в 5–10 раз меньше, чем у MWCNT. Поэтому одостенные углеродные нанорубки являются чрезвычайно гибкими по сравнению с жесткими многостенным углеродными нанотрубками с диаметрами в диапазоне 20–30 нм, которые считаются критическими. Эта чрезвычайная гибкость, которая отчетливо видна с помощью просвечивающей электронной микроскопии, вместе с их склонностью к уменьшению поверхностной энергии, позволяет SWCNT самопроизвольно образовывать пучки и агломераты.

Показано, что нанотрубки TUBALL не проявляют жесткости и не образуют вдыхаемые аэрозольные частицы.

По данным Международного агентства по изучению рака (МАИР), одностенные углеродные нанотрубки классифицируются как группа 3, то есть вещества, которые «не поддаются классификации в отношении канцерогенности для человека».

РАБОТА С НАНОТРУБКАМИ TUBALL™

В мае 2018 года OCSiAl провела ряд исследований по измерению воздействия вдыхаемых наночастиц на рабочих местах и экологического риска для сотрудников. Тесты показали, что количество нанотрубок TUBALL, выделившихся в ходе отбора проб для эксплуатационного тестирования, намного ниже рекомендуемого предела, установленного Национальным институтом охраны труда США (NIOSH REL). Средневзвешенная по времени концентрация составляет 1 мкг/м³ за 8 ч (< 5% NIOSH REL). При этом в ходе аналогичного исследования, посвященного работе с концентратами, содержащими TUBALL, выделения нанотрубок не наблюдалось.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ TUBALL™

В наномодифицированных продуктах нанотрубки связаны с матрицей материала, поэтому риск подвергнуться их воздействию отсутствует. В 2017 году ведущая независимая европейская научно-исследовательская организация VITO провела тесты по миграции графеновых нанотрубок TUBALL при различном механическом воздействии, включая резку, сверление и шлифование, на содержащие их материалы. Испытания полимерных образцов, содержащих нанотрубки TUBALL, проводились внутри герметичной камеры. Замеры любых возможных мельчайших частиц, выделяемых в результате эксплуатации материала, проводились с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Результаты испытаний подтвердили, что нанотрубки TUBALL не покидают матрицу материала при его механическом повреждении.

Компания OCSiAl занимает активную и ответственную позицию в области охраны труда и защиты окружающей среды, поэтому сертифицирует нанотрубки TUBALL в соответствии с международными, национальными и региональными стандартами.

РАЗРЕШИТЕЛЬНЫЕ СЕРТИФИКАТЫ

OCSiAl – первая и на данный момент единственная компания, которая получила разрешение на реализацию крупных коммерческих партий графеновых нанотрубок заказчикам в Европе, Северной Америке и на других ключевых глобальных рынках. TUBALL стали первыми графеновыми нанотрубками, зарегистрированными в соответствии с регламентом Европейского Союза REACH («Регистрация, оценка, разрешение и ограничение химических веществ»): в сентябре 2016 года нанотрубки TUBALL были зарегистрированы под номером 01-2120130006-75-0000. В апреле 2020 года обновленная регистрация REACH позволила OCSiAl увеличить разрешенный объем для реализации на территории Европы до 100 тонн нанотрубок TUBALL™ в год.

Нанотрубки TUBALL, как новое химическое вещество, соответствуют стандартам Агентства по охране окружающей среды США. С 2019 года OCSiAl и ее продукты приобрели новый статус в США: на территории этой страны разрешено коммерческое использование нанотрубок TUBALL в промышленных объемах.

В ближайших планах компании – увеличение разрешенного объема реализации графеновых нанотрубок в ряде стран, включая Австралию и Канаду.

Компания продолжает регистрацию TUBALL по всему миру.

СЕРТИФИКАТЫ СООТВЕТСТВИЯ

OCSiAl может по запросу предоставлять различные документы, подтверждающие соответствие нанотрубок TUBALL и любых продуктов, содержащих TUBALL, различным химическим стандартам. Большинство подтверждений действительны в течение короткого периода, в зависимости от обновления правил или конкретных требований отрасли. Среди сертификатов, предоставляемых по запросу: RoHS, SVHC, GADSL, PAH, WGK, Halogen free, VOC, Global chemical inventory и многие другие.

C 2017 года на производственных площадках TUBALL и TUBALL-содержащих продуктов внедрена международная интегрированная система управления качеством, безопасности и экологического менеджмента, которая соответствует стандартам ISO 9001:2015 (Система менеджмента качества), ISO 14001:2015 (Система экологического менеджмента) и ISO 45001:2018 (Система менеджмента безопасности труда и охраны здоровья).

Страница не найдена | Дешевые трубы

В этом месте ничего не было найдено. Попробуйте поискать или просмотрите ссылки ниже.

Искать: Поиск

Новое в магазине

• Углеродные нанотрубки с одинарными стенками 95

  250,00 долл. США Цитировать или добавить в корзину

• Шестиугольный нитрид бора на 6-дюймовой медной фольге

  550,00 $ Цитировать или добавить в корзину

Категории продуктов

Категории продуктов

• Массивы углеродных нанотрубок (2)
• CVD-графеновые пленки (22)
  • Двухслойные графеновые пленки (1)
  • Монослойные пленки графена на CU (7)
  • Однослойные пленки графена на ПЭТ (3)
  • Монослойные пленки графена на кварце (2)
  • Монослойные пленки графена на SI / SIO2 (6)
  • Однослойные пленки графена на сетках ПЭМ (1)
  • Трехслойный графен (1)
• Листы с поверхностно-активным веществом Flexiphene (4)
• Фуллерены (3)
• Функционализированные углеродные нанотрубки (48)
  • Функционализированные углеродные нанотрубки COOH (21)
  • Углеродные нанотрубки, функционализированные фтором (2)
  • Функционализированные углеродные нанотрубки Nh3 (2)
  • Углеродные нанотрубки, функционализированные азотом (2)
  • Функциональные углеродные нанотрубки O + (2)
  • OH Функционализированные углеродные нанотрубки (19)
• Нанопластинки графена (8)
• Оксид графена (6)
• Графитированные многостенные углеродные нанотрубки (15)
• Спиральные многостенные углеродные нанотрубки (1)
• Гексагональный нитрид бора (1)
• Продукты промышленных углеродных нанотрубок (14)
  • Суперконцентраты углеродных нанотрубок (5)
  • Композитная добавка для проводящих нанотрубок (1)
• Многостенные углеродные нанотрубки (7)
• Наночернила (2)
• Нанопроволока (2)
• Короткие углеродные нанотрубки (20)
• Углеродные нанотрубки с одинарными стенками (16)
• Без категории (0)

Популярные товары

• Многостенные углеродные нанотрубки 8 нм

  $ 1.50 — 15,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Углеродные фуллерены C60

  95,00 $ — 99,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Многостенные углеродные нанотрубки 30-50 нм

  $ 0,70 — 10,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Nh3 Функционализированные нанопластинки графена

  0,75 $ — 30,00 $ / за грамм Выбрать опции

Страница не найдена | Дешевые трубы

В этом месте ничего не было найдено.Попробуйте поискать или просмотрите ссылки ниже.

Искать: Поиск

Новое в магазине

• Углеродные нанотрубки с одинарными стенками 95

  250,00 долл. США Цитировать или добавить в корзину

• Шестиугольный нитрид бора на 6-дюймовой медной фольге

  550,00 $ Цитировать или добавить в корзину

Категории продуктов

Категории продуктов

• Массивы углеродных нанотрубок (2)
• CVD-графеновые пленки (22)
  • Двухслойные графеновые пленки (1)
  • Монослойные пленки графена на CU (7)
  • Однослойные пленки графена на ПЭТ (3)
  • Монослойные пленки графена на кварце (2)
  • Монослойные пленки графена на SI / SIO2 (6)
  • Однослойные пленки графена на сетках ПЭМ (1)
  • Трехслойный графен (1)
• Листы с поверхностно-активным веществом Flexiphene (4)
• Фуллерены (3)
• Функционализированные углеродные нанотрубки (48)
  • Функционализированные углеродные нанотрубки COOH (21)
  • Углеродные нанотрубки, функционализированные фтором (2)
  • Функционализированные углеродные нанотрубки Nh3 (2)
  • Углеродные нанотрубки, функционализированные азотом (2)
  • Функциональные углеродные нанотрубки O + (2)
  • OH Функционализированные углеродные нанотрубки (19)
• Нанопластинки графена (8)
• Оксид графена (6)
• Графитированные многостенные углеродные нанотрубки (15)
• Спиральные многостенные углеродные нанотрубки (1)
• Гексагональный нитрид бора (1)
• Продукты промышленных углеродных нанотрубок (14)
  • Суперконцентраты углеродных нанотрубок (5)
  • Композитная добавка для проводящих нанотрубок (1)
• Многостенные углеродные нанотрубки (7)
• Наночернила (2)
• Нанопроволока (2)
• Короткие углеродные нанотрубки (20)
• Углеродные нанотрубки с одинарными стенками (16)
• Без категории (0)

Популярные товары

• Многостенные углеродные нанотрубки 8 нм

  $ 1.50 — 15,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Углеродные фуллерены C60

  95,00 $ — 99,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Многостенные углеродные нанотрубки 30-50 нм

  $ 0,70 — 10,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Nh3 Функционализированные нанопластинки графена

  0,75 $ — 30,00 $ / за грамм Выбрать опции

Страница не найдена | Дешевые трубы

В этом месте ничего не было найдено.Попробуйте поискать или просмотрите ссылки ниже.

Искать: Поиск

Новое в магазине

• Углеродные нанотрубки с одинарными стенками 95

  250,00 долл. США Цитировать или добавить в корзину

• Шестиугольный нитрид бора на 6-дюймовой медной фольге

  550,00 $ Цитировать или добавить в корзину

Категории продуктов

Категории продуктов

• Массивы углеродных нанотрубок (2)
• CVD-графеновые пленки (22)
  • Двухслойные графеновые пленки (1)
  • Монослойные пленки графена на CU (7)
  • Однослойные пленки графена на ПЭТ (3)
  • Монослойные пленки графена на кварце (2)
  • Монослойные пленки графена на SI / SIO2 (6)
  • Однослойные пленки графена на сетках ПЭМ (1)
  • Трехслойный графен (1)
• Листы с поверхностно-активным веществом Flexiphene (4)
• Фуллерены (3)
• Функционализированные углеродные нанотрубки (48)
  • Функционализированные углеродные нанотрубки COOH (21)
  • Углеродные нанотрубки, функционализированные фтором (2)
  • Функционализированные углеродные нанотрубки Nh3 (2)
  • Углеродные нанотрубки, функционализированные азотом (2)
  • Функциональные углеродные нанотрубки O + (2)
  • OH Функционализированные углеродные нанотрубки (19)
• Нанопластинки графена (8)
• Оксид графена (6)
• Графитированные многостенные углеродные нанотрубки (15)
• Спиральные многостенные углеродные нанотрубки (1)
• Гексагональный нитрид бора (1)
• Продукты промышленных углеродных нанотрубок (14)
  • Суперконцентраты углеродных нанотрубок (5)
  • Композитная добавка для проводящих нанотрубок (1)
• Многостенные углеродные нанотрубки (7)
• Наночернила (2)
• Нанопроволока (2)
• Короткие углеродные нанотрубки (20)
• Углеродные нанотрубки с одинарными стенками (16)
• Без категории (0)

Популярные товары

• Многостенные углеродные нанотрубки 8 нм

  $ 1.50 — 15,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Углеродные фуллерены C60

  95,00 $ — 99,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Многостенные углеродные нанотрубки 30-50 нм

  $ 0,70 — 10,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Nh3 Функционализированные нанопластинки графена

  0,75 $ — 30,00 $ / за грамм Выбрать опции

Страница не найдена | Дешевые трубы

В этом месте ничего не было найдено.Попробуйте поискать или просмотрите ссылки ниже.

Искать: Поиск

Новое в магазине

• Углеродные нанотрубки с одинарными стенками 95

  250,00 долл. США Цитировать или добавить в корзину

• Шестиугольный нитрид бора на 6-дюймовой медной фольге

  550,00 $ Цитировать или добавить в корзину

Категории продуктов

Категории продуктов

• Массивы углеродных нанотрубок (2)
• CVD-графеновые пленки (22)
  • Двухслойные графеновые пленки (1)
  • Монослойные пленки графена на CU (7)
  • Однослойные пленки графена на ПЭТ (3)
  • Монослойные пленки графена на кварце (2)
  • Монослойные пленки графена на SI / SIO2 (6)
  • Однослойные пленки графена на сетках ПЭМ (1)
  • Трехслойный графен (1)
• Листы с поверхностно-активным веществом Flexiphene (4)
• Фуллерены (3)
• Функционализированные углеродные нанотрубки (48)
  • Функционализированные углеродные нанотрубки COOH (21)
  • Углеродные нанотрубки, функционализированные фтором (2)
  • Функционализированные углеродные нанотрубки Nh3 (2)
  • Углеродные нанотрубки, функционализированные азотом (2)
  • Функциональные углеродные нанотрубки O + (2)
  • OH Функционализированные углеродные нанотрубки (19)
• Нанопластинки графена (8)
• Оксид графена (6)
• Графитированные многостенные углеродные нанотрубки (15)
• Спиральные многостенные углеродные нанотрубки (1)
• Гексагональный нитрид бора (1)
• Продукты промышленных углеродных нанотрубок (14)
  • Суперконцентраты углеродных нанотрубок (5)
  • Композитная добавка для проводящих нанотрубок (1)
• Многостенные углеродные нанотрубки (7)
• Наночернила (2)
• Нанопроволока (2)
• Короткие углеродные нанотрубки (20)
• Углеродные нанотрубки с одинарными стенками (16)
• Без категории (0)

Популярные товары

• Многостенные углеродные нанотрубки 8 нм

  $ 1.50 — 15,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Углеродные фуллерены C60

  95,00 $ — 99,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Многостенные углеродные нанотрубки 30-50 нм

  $ 0,70 — 10,00 $ / за грамм Выбрать опции

• Nh3 Функционализированные нанопластинки графена

  0,75 $ — 30,00 $ / за грамм Выбрать опции

Сборка и интеграция углеродных нанотрубок для приложений | Письма о наномасштабных исследованиях

Углеродные нанотрубки находят применение в реальных условиях

Никто не оспаривает, что углеродные нанотрубки могут стать чудо-технологией: их свойства включают более высокую теплопроводность, чем у алмаза, большую механическую прочность, чем у стали — на порядки величины по весу — и лучшую электропроводность, чем у меди.

Но, как и в случае с другими «великими технологиями будущего», неужели мы слишком раздумываем над нанотрубками? Близки ли они к прохождению настоящего испытания — испытания широкого практического применения? Ответ однозначно положительный.Успех углеродных нанотрубок (УНТ) подтверждается удивительной статистикой: коммерческие производственные мощности по всему миру в настоящее время превышают несколько тысяч тонн в год, по словам доктора Майкла Де Волдера, недавно назначенного лектором производственного института инженерного факультета. Но для достижения этого уровня производства потребовалось около 20 лет.

«Началу широко распространенных исследований углеродных нанотрубок предшествовал первый научный отчет об УНТ в 1990-х годах, хотя о полых углеродных нановолокнах сообщалось еще в 1950-х годах», — говорит д-р Де Волдер.«Однако коммерческая деятельность, связанная с углеродными нанотрубками, наиболее существенно выросла за последнее десятилетие. С 2006 года мировые мощности по производству углеродных нанотрубок увеличились как минимум в десять раз».

Недавний научный обзор коммерчески доступных применений углеродных нанотрубок д-ра Де Волдера дает представление о том, насколько широкое реальное влияние начинает оказывать эта технология [M. Де Волдер и др., Science 339, 2013]. Возьмем, к примеру, очистители воды: размер, площадь поверхности и адсорбционные свойства углеродных нанотрубок делают их идеальной мембраной для фильтрации токсичных химикатов, растворенных солей и биологических загрязнителей из воды.Американская компания Seldon Technologies разработала систему MineralWater System, используя свою «технологию очистки Nanomesh» — систему фильтрации с использованием углеродных нанотрубок. Компания заявляет, что ее система подает питьевую воду без использования химикатов, тепла или электроэнергии: жизненно важно для использования в развивающихся странах, где она больше всего необходима. Фильтр удаляет патогенные микроорганизмы и загрязняющие вещества, такие как вирусы, бактерии, цисты и споры, обеспечивая воду, которая соответствует стандарту питьевой воды USEPA или превышает его. По словам Селдона, он подходит для использования в домах, офисах, школах, клиниках и других коммерческих помещениях.

Огромная площадь поверхности углеродных нанотрубок также используется в качестве электродов в батареях и конденсаторах, чтобы обеспечить больший ток и лучшую электрическую и механическую стабильность, чем у других материалов. Мировые исследования в этой области способствовали развитию коммерческой деятельности таких компаний, как Showa Denko (Batteries, Япония) и FastCAP (Supercaps, США).Свойства углеродных нанотрубок делают их идеальными для улучшения различных видов структур — например, спортивного инвентаря, бронежилетов, транспортных средств и т. Д., Где они широко используются. Нанотрубки создают сети внутри композитного материала, например, для увеличения жесткости и демпфирования материала.

Спортивные производители используют их в ракетках для тенниса и бадминтона, а также в рамах велосипедов. Но хотя углеродные нанотрубки используются в практических приложениях, это не означает, что их более широкое использование не будет беспроблемным.

«Есть ряд препятствий, которые мы еще не решили», — говорит д-р Де Волдер. «В частности, для целей высокого класса, таких как поиск транзисторов лучшего качества, действительно важна точная морфология нанотрубки и ориентация решетки графена относительно оси трубки, называемая ее хиральностью. В настоящий момент у нас есть низкая способность синтезировать углеродные нанотрубки с определенными типами хиральности, и именно это определяет полупроводниковые и проводящие свойства углеродных нанотрубок.

«Одна из интересных вещей, происходящих сейчас, — это усовершенствование компьютерного моделирования того, как синтезируются углеродные нанотрубки, что, мы надеемся, позволит нам настроить процесс производства. А электронная микроскопия дает возможность наблюдать за углеродными нанотрубками в процессе их формирования. , что помогает лучше понять процесс «.

Сам доктор Де Волдер работает над проблемой массового производства устройств, содержащих от сотен до тысяч нанотрубок.

«К сожалению, когда вы объединяете их в большом количестве, показатели качества их свойств часто разочаровывают по сравнению с тем, что вы получаете от отдельной углеродной нанотрубки. Я пытаюсь разработать методы для более эффективного объединения частиц, или изучение новых свойств материалов в зависимости от того, как соединить углеродные нанотрубки ».

Тем не менее, в настоящее время наблюдается прогресс с SWNT: британская компания Thomas Swan является мировым лидером в производстве SWNT из материала Elicarb, который теперь используется в таких областях, как современные композиты, электроника, хранение энергии, печать, бумага, упаковка и топливные элементы.

Еще одна недавняя разработка в области SWNT, о которой в июне объявила Linde Electronics, — это разработка чернил на основе углеродных нанотрубок для использования в дисплеях, датчиках и других электронных устройствах. Возможные области применения включают смартфоны со сворачивающимся экраном и GPS-навигатором, встроенным в лобовое стекло автомобиля.

«Linde теперь делает свои чернила для нанотрубок доступными для разработчиков, — говорит д-р Сиан Фогден, менеджер по маркетингу и развитию технологий подразделения Linde по наноматериалам.«Эти чернила содержат однослойные углеродные нанотрубки и производятся без повреждения или укорачивания нанотрубок, поэтому они сохраняют уникальные свойства нанотрубок».

Linde заявляет, что это знаковая разработка, которая резко улучшает характеристики прозрачных проводящих тонких пленок, сделанных из чернил, и открывает двери для разработки приложений углеродных нанотрубок не только в бытовой электронике, но также в сфере здравоохранения и производства датчиков.

Поскольку нанотрубки длинные и тонкие, между ними действуют большие силы Ван-дер-Ваальса, и они слипаются.Стандартный способ их разделения — использование мощных звуковых волн. Но это может повредить нанотрубки и повлиять на их свойства.

«В наших чернилах мы используем процесс, называемый солевым усиленным электростатическим отталкиванием (SEER), который не требует обработки ультразвуком, но позволяет получать растворы отдельных углеродных нанотрубок, сохраняя при этом длину нанотрубки», — говорит доктор Фогден. «Совсем недавно начали производиться такие продукты, как сенсорные экраны, которые содержат однослойные углеродные нанотрубки, и эти устройства еще не были выпущены на полноценный потребительский рынок.Только тогда, когда исходный материал углеродных нанотрубок будет полностью обработан надежным и повторяемым образом, они будут широко использоваться в бытовой электронике ».

Еще одна недавняя интригующая разработка в области электроники и вычислений принадлежит американской компании Nantero, которая заявляет, что коммерциализирует полупроводниковые устройства на основе углеродных нанотрубок, включая память, логику и другие.

«Мы разработали NRAM, энергонезависимую оперативную память высокой плотности, и цель состоит в том, чтобы она служила универсальной технологией памяти», — говорит генеральный директор Грег Шмергель.«NRAM может быть изготовлен как для автономных, так и для встроенных приложений памяти, и образцы уже были отправлены избранным клиентам и находятся в разработке на нескольких производственных предприятиях CMOS компанией Nantero и ее лицензиатами. Эти образцы представляют собой многомегабитные массивы, которые демонстрируют высокую производительность, высокую скорость и надежность. и низкое энергопотребление ».

Nantero утверждает, что это первая компания, которая активно разрабатывает полупроводниковые продукты с использованием углеродных нанотрубок, подходящих для производства в стандартных CMOS-фабриках.

«Основным препятствием в прошлом было то, что углеродные нанотрубки были несовместимы с существующими полупроводниковыми фабриками», — говорит Шмергель. «В Nantero мы решили эту проблему, разработав CMOS-совместимый материал углеродных нанотрубок, который можно использовать в любой фабрике в мире, и производственные процессы, совместимые с существующим оборудованием для производства полупроводников. Таким образом, наша память и другие устройства из углеродных нанотрубок могут быть изготовлены в любых CMOS. Fab на больших объемах.

Использование существующих процессов означает гораздо более высокую надежность и воспроизводимость.»Материал углеродных нанотрубок микроэлектронного качества Nantero теперь коммерчески доступен через лицензиата Brewer Science.

Это может быть указателем на более долгосрочное будущее, связанное с массовыми вычислениями. Недавно в Стэнфордском университете команда анонсировала первый работающий компьютер, построенный из углеродных нанотрубок. Несмотря на то, что в нем всего 178 транзисторов и частота 1 кГц, компьютер, тем не менее, является «полным по Тьюрингу», что означает, что он может делать все, что могут делать современные машины, только намного медленнее.

Но через несколько лет миллиарды углеродных нанотрубок могут оказаться на наших столах и в наших карманах.

Ссылка : Углеродные нанотрубки находят применение в реальном мире (2014, 31 марта) получено 22 мая 2021 г. с https: // физ.org / news / 2014-03-carbon-nanotubes-real-world-applications.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Углеродные нанотрубки и графен — свойства, применение и рынок

Графен и УНТ состоят из атомов углерода.Углеродную нанотрубку можно представить как лист графена (гексагональную решетку углерода), свернутый в цилиндр. Соответственно, УНТ можно использовать в качестве отправной точки для создания графена, «распаковав» их.

И графен, и УНТ обладают исключительными механическими и электронными свойствами, которые часто могут быть схожими. Следовательно, они часто рассматриваются как конкуренты для множества аналогичных приложений. Следует отметить, что существует также область исследований, направленных на объединение графена и УНТ и их совместное использование для различных приложений, таких как электроника, батареи, датчики и многое другое.

Несмотря на сходство материалов, между ними все же есть различия. В то время как графен считается 2D, УНТ часто считаются одномерными. Кроме того, графен (когда он идеально структурирован с чистотой атомов и идеальной сотовой решеткой) является полупроводником с нулевой запрещенной зоной, тогда как однослойные УНТ проявляют либо металлические, либо полупроводниковые свойства с шириной запрещенной зоны, которая варьируется от нуля до примерно 2 эВ.

Работа с УНТ часто считается сложной задачей из-за внутренней сложности в их точном расположении и соединении.Графен, который появился на сцене позже, чем старые УНТ, может быть проще соединить и допировать, но он несет свой собственный набор проблем, таких как извлечение, манипуляции и бремя стабильности.

Углерод — строительный блок для многих материалов

Углерод — неметаллический химический элемент, часто рассматриваемый как общий элемент всей известной жизни. Это 15-й элемент по распространенности в земной коре и 4-й по массе элемент во Вселенной.

Углерод встречается во многих формах, каждая из которых имеет свои физические характеристики.Эти формы включают хорошо известные материалы, такие как алмаз и графит, которые различаются только физическими свойствами из-за различий в расположении атомов в их структурах. Другими, менее известными формами являются фуллерены — сферические фуллерены с закрытой клеткой называются бакерминстерфуллеренами или «бакиболами», а цилиндрические фуллерены называются нанотрубками. Другая форма, состоящая только из атомов углерода в плоской двумерной решетчатой ​​структуре, называется графеном. Существуют и другие формы расположения атомов углерода, такие как аморфный углерод, Q-углерод и другие.

Что такое графен?

Одинарный двумерный слой графита называется графеном. Итак, графен — это в основном лист атомов углерода, расположенных в гексагональной структуре. Графен считается первым из когда-либо обнаруженных двумерных материалов, а также его называют «чудо-материалом» благодаря огромной группе свойств, которые он сохраняет. Например, графен — один из самых прочных материалов во Вселенной, он обладает превосходными тепловыми и оптическими свойствами, превосходной прочностью на разрыв, относительной прозрачностью, удивительной электропроводностью, непроницаемостью для большинства газов и жидкостей и многим другим.

Многие атрибуты графена делают его привлекательным материалом для исследователей и разработчиков, которые во всем мире упорно трудятся, чтобы найти бесконечное применение этому материалу. Графен огромен, и его приложения включают: сенсорные экраны (для ЖК-дисплеев или OLED-дисплеев), компьютерные микросхемы, аккумуляторы. производство энергии, суперконденсаторы, медицинское оборудование, фильтры для воды, солнечные элементы и многое другое.

Что такое углеродные нанотрубки?

Углеродные нанотрубки (часто сокращенно УНТ) представляют собой молекулы цилиндрической формы, состоящие из атомов углерода.Лист графена можно свернуть в углеродную нанотрубку. УНТ могут быть однослойными (ОСУНТ), если они сделаны из одного слоя атомов углерода, или многостенными (МУНТ), если они состоят из нескольких слоев графеновых листов. Фактически, углеродные нанотрубки бывают разного диаметра, длины и содержания функциональных групп, что позволяет адаптировать их использование для конкретных приложений.

Свойства УНТ меняются в зависимости от их характеристик. Например, MWCNT обычно являются проводящими, тогда как SWCNT могут быть электрически проводящими, отображать свойства полупроводника или быть непроводящими.Такие факторы, как структура, длина, площадь поверхности, заряд поверхности, распределение по размерам, химический состав поверхности и состояние агломерации, а также чистота образцов, имеют большое влияние на свойства углеродных нанотрубок.

УНТ обладают уникальными механическими, термическими и электронными свойствами, которые делают их интересными для разработки новых материалов: впечатляющая механическая прочность на разрыв, легкий вес, хорошая теплопроводность и многое другое.

Эти свойства делают углеродные нанотрубки привлекательными для электронных устройств, датчиков и биосенсоров, транзисторов, аккумуляторов, водородных аккумуляторов, применения в области электрического экранирования и т. Д.

Углеродные нанотрубки существуют с начала 1990-х годов и уже нашли коммерческое применение в областях инженерных пластмасс, полимеров, дисплеев, антикоррозионных красок, тонких пленок и покрытий, прозрачных и непрозрачных проводящих электродов, покрытий и антистатических материалов. упаковка и многое другое. Кроме того, ведутся активные исследования в таких областях, как батареи, топливные элементы, солнечные элементы, опреснение воды и многое другое.

Однако после первоначального ажиотажа революций не произошло, и многие отказались от УНТ.Но это не означает, что у них нет реального потенциала, и интерес к ним вновь появляется в исследовательском сообществе в последние несколько лет. Как было сказано, они нашли некоторые применения и, по оценкам, последуют другие, и потенциал УНТ не считается исчерпанным.

УНТ доступны в больших количествах до количества метрических тонн. Производственные мощности по производству УНТ за прошедшие годы значительно увеличились и в настоящее время превышают несколько тысяч тонн в год. По оценкам, несколько производителей УНТ имеют производственные мощности более 100 тонн в год для многослойных нанотрубок.Кажется, что мощность по производству MWNT превышает мощность SWNT, хотя на рынке имеется избыток предложения. SWNT намного дороже и сложнее в производстве, чем MWCNT, и пока нет четко выраженного крупномасштабного рынка для SWNT, который необходим для снижения стоимости производства.