21 ноября 2017 Г. Нанотехнологии и наноматериалы Российские нанотехнологии STRF.RU регистрация вход

   
Подписка
Главная / Образование
Редколлегия
Контакты
Размещение рекламы
Партнёры
форум
Образование

Углерод. Что же в нем нано?

Классический углерод

Не задавались ли вы вопросом, почему, используя обычный карандаш, вы можете создать рисунок на листе бумаги, совершая несложные движения рукой? А если у вас вместо графитового стержня находится алмазная основа? Сможете ли вы с такой же лёгкостью изобразить вашу идею на бумаге, совершая те же механические движения рукой?

Стержень вашего карандаша – это вещество. А, как известно, любое вещество состоит из атомов и молекул, связанных между собой химическими связями. Атомарный состав веществ, о которых мы сейчас говорим, это обычный углерод, а значит, мы имеем дело с субстанциями, которые состоят из одних и тех же атомов, только ведут они себя в разных ситуациях по-разному, а значит, имеют различные свойства. Различие свойств объясняется тем, что атомы углерода, вступая в связи, образуют присущую каждому веществу кристаллическую решетку. Так же, вид связи между атомами данных веществ различен.

Если исследовать графит, используя специальный микроскоп, то можно обнаружить, что он имеет слоистую структуру (рис. 1). Каждый такой слой состоит из атомов углерода, имеющий форму правильных шестиугольников ковалентно связанных друг с другом. Соседние слои удерживаются между собой силами Ван-дер-Ваальса. Прочность последних слабая, поэтому вещество можно легко «расслоить», тем самым выполнив рисунок на бумаге.

Рис. 1. Структура графита.

Что же касается алмаза, то здесь структура решетки разительно отличается (рис. 2). Она представляет собой трехмерную тетраэдрическую структуру, где каждый атом углерода связан ковалентной связью с четырьмя другими атомами. Расстояние между частицами кристаллической решетки постоянно и равняется 154 нм. Каждый атом в решетке сильно связан с другим и образует как бы одну гигантскую макромолекулу. Поэтому алмаз обладает высокой прочностью, благодаря высокой энергии ковалентных связей.

Рис 2. Структура алмаза.

Фуллерены и нанотрубки

Давайте теперь немного отвлечемся и поговорим о таком всем известном предмете как футбольный мяч. Нет, разговор пойдет не об игре, давайте сфокусируемся на его форме. Безусловно, это форма сферы, скажете вы, что тут удивительного? Но, нам сейчас интересна не геометрическая фигура, посмотрите на мяч – н как бы состоит из небольших «заплаток», напоминающих обычные шестиугольники. Теперь мысленно возьмите атомы углерода и поместите их по одному в каждом углу этих заплаток. Вы получили новое интересное вещество с удивительными свойствами, причем его структура тоже состоит из атомов углерода. Название этому веществу – фуллерен, в честь архитектора Р. Бакмистера Фуллера.

Рис 3. Структура фуллерена.

Как вы уже догадались, фуллерен имеет каркасную структуру похожую на футбольный мяч (рис. 3). Его особенность состоит в том, что внутри такого углеродного «мячика» образуется полость, внутрь которой благодаря капиллярным свойствам можно поместить атомы других веществ. То есть, использовать фуллерены как контейнеры для транспортировки различных материалов.

Разнообразие углеродных структур на этом не ограничивается, рассмотрим еще один углеродный каркас, который напоминает форму трубы – так называемая нанотрубка. Считается, что они были открыты японским учёным Иидзимой в 1991 году, хотя существуют и более ранние свидетельства их открытия. Нанотрубка состоит из порядка миллиона атомов углерода. Ее длина составляет несколько десятков микрон, а диаметр около одного нанометра. Свойства этой молекулы тоже уникальны – будучи в 100 тысяч раз тоньше человеческого волоса, она демонстрирует хорошую прочность: плотность нанотрубок в шесть раз меньше плотности металла, но по прочности они превосходят сталь в 50-100 раз.

Уровень сопротивления деформации этих удивительных структур намного выше, чем у обычных углеродных волокон, значит они не только очень прочные, он еще и гибкие. Причем, если приложить такое напряжение механического воздействия, которое превышает критическое, то, и здесь нанотрубка проявляет удивительные свойства: молекула не разрушается, её атомы просто перестраиваются.

Рис. 4 Структура нанотрубки.

Где же можно использовать уникальные свойства нанотрубок? Вариантов много! К примеру – для создания искусственных мускулов, они во много раз могут превзойти свои естественные аналоги по многим параметрам. Небольшая нить диаметром около 1мм, структурированная нанотрубками, сможет выдержать груз, масса которого составляет 20 т. А если вообразить себе кабель из нанотруб, по которому можно передавать данные от Земли до Луны, то его можно было бы намотать на маленькое зёрнышко. Но это будущее, а пока максимальная длинна такой трубки составляет только десятки и сотни микрон. Сейчас ученые трудятся над решением этой проблемы, уже приближаясь к сантиметровому, а может и более, рубежу. Все дело времени.

Многообразие наноуглеродных структур

Рассмотренные примеры это только простейшие из многообразия наноуглеродных структур. Существует еще множество их различных форм: однослойные и многослойные нанотрубки, трубы в форме спирали, наностручки (структуры в которой фуллерены находятся внутри нанотрубок), наноматрешки (трубки внутри трубок), детонационные наноалмазы и др. Эти структуры имеют самый широкий спектр электрических, магнитных и оптических свойств. Всем хорошо известны материалы, которые используются в радиотехнике. Это проводники и полупроводники электрического тока, микропроцессоры, печатные платы. Свойствами новых материалов можно легко управлять: так электрические свойства нанотрубок можно менять, используя пустую полость для заполнения атомами или молекулами других веществ; фуллерены можно превратить их сверх проводника в изолятор, внедряя внутрь трубки инородные атомы или молекулы.

Рис. 5. Микрофотография нанотрубок, полученных химическим осаждением из газовой фазы.

Перспективы применения наноуглеродных структур очень радужные. Фуллерены это хороший контейнер для транспортировки различных ферментов, нужных организму, прямо к нужной клетке организма, управляемые микроскопические шприцы из нанотрубок сделают укол там, куда врач сам не подлезет. Представьте уникальные провода для микроприборов, которые благодаря своим уникальным свойствам будут проводить ток с плотностью в миллион ампер на квадратный сантиметр практически без выделения тепла. Классический проводник при таком токе мгновенно бы испарился.

Сейчас наноуглерод активно внедряется в компьютерную индустрию и электронику. Уже в ближайшем будущем могут появиться плоские эмиссионные мониторы, работающие на матрице из нанотрубок, и позволяющие получать высококлассное изображение высокой чёткости. Использование фуллеренов в качестве иглы для сканирующего тоннельного микроскопа позволит производить более детальный анализ при изучении различных материалов. Тенденция к миниатюризации приведет к тому, что современные элементы различных схем заменят их нанометровые аналоги. Использование топливных ячеек на основе нанотрубок дают нам возможность увеличить время работы различных устройств питания для ваших сотовых телефонов и портативных компьютеров. Нанотехнология позволит продлить время работы энергоносителя в три раза дольше, чем время работы простых батареек аналогичного размера.

Неисчерпаемая энергия

Дальнейшее развитие нанотехнологий топливных ячеек позволит хранить в них запасы энергии в сотни, даже тысячи раз больше, чем в обычных современных батарейках. Как же в таком маленьком объеме можно содержать такое большое количество энергии? Вся идея базируется на том, что  выделение огромной энергии получается за счет превращения одного вещества в другое. Самым ярким примеров для нас является солнце. Гигантская  термоядерная водородная топливная ячейка. То есть в результате термоядерной реакции атом водорода превращается а атом гелия, следствием является выделение огромного количества энергии. Теперь представьте, что в каждом энергоносителе будет функционировать источник, который вырабатывал энергию по принципу превращения вещества. Своего рода содержал бы внутри “микро солнце”.  Безусловно, термоядерные установки повлекут за собой большие финансовые затраты. Но стоит полагать, что нанотехнологии решат эту проблему, сделав термоядерные приборы компактными и дешевыми.

Заключение

Как видно, использование наноуглерода открывает перед учёными широкий спектр возможностей внедрения новшеств во многие сферы человеческой жизни. Если буквально в недавнем прошлом мы могли только воображать себе фантастические возможности микромира, читая фантастику или смотря фильм, то теперь все выше написанное реализуется в самом ближайшем будущем. Сколько еще новшеств внесут нам нанотехнологии? Ближайшее будущее покажет. Остается только ждать!

Александр Ким

Статья основана на материале книги М. Рыбалкиной «Нанотехнологии для всех».

18.12.2007


обсудить публикацию

версия для печати



ай вао
Новости

Вышел 3-4 номер журнала «Российские нанотехнологии» том 12 2017


Из печати вышел 3-4 номер журнала «Российские нанотехнологии» за 2017 год

читать полностью читать полностью

Вышел 1–2 номер журнала «Российские нанотехнологии», том 12 2017 год


Из печати вышел 1–2 номер журнала «Российские нанотехнологии» за 2017 год

читать полностью читать полностью

Вышел 11–12 номер журнала «Российские нанотехнологии», том 11 2016 год


Из печати вышел 11–12 номер журнала «Российские нанотехнологии» за 2016 год

читать полностью читать полностью

Нанотехнологии: от малого до великого


Сопредседатель 7-го Нано и Гига Форума Анатолий Коркин об особенностях конференции, которая пройдёт в 2017 году в Томске

читать полностью читать полностью

Наноконтейнеры для полиненасыщенных жирных кислот


Молекулы пищевых биополимеров можно использовать как микро- и наноконтейнеры для этих веществ и применять для обогащения продуктов питания

читать полностью читать полностью




Acta Naturae



© ООО «Парк-медиа», 2007-2008

Разработка - Metric

Все права защищены
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100