eng
Почти случайное обнаружение углеродных нанотрубок (УНТ) породило гигантскую волну интереса к ним и позволило создать коммерческие продукты на многие миллиарды долларов, поскольку УНТ – уникальные наностуктуры с выдающимися электронными, механическими, химическими и оптическими свойствами, сулящими им различные перспективные применения. Исследования указывают, в частности, на возможное использование УНТ для хранения энергии, в молекулярной электронике, при изготовлении оптических наноустройств, композитных материалов.
Идеальную УНТ можно представить в виде гексагональной сетки углеродных атомов, свернутых в бесшовный цилиндр миллиметровой длины диаметром около 1 нм. С торцов цилиндр обычно "запечатан" половинкой молекулы фуллерена.
УНТ были синтезированы в 70-е годы 20 века в СССР, но интерес к ним начал взрывообразно расти после опубликованной в 1991 году в журнале Nature статьи С.Ииджимы (компания NEC).
Свойства УНТ
Химическая реактивность УНТ в сравнении с листом графена выше вследствие кривизны поверхности первой.
Электропроводность. В зависимости от угла ориентации плоскости относительно оси (вектора хиральности) УНТ могут быть проводниками или полупроводниками.
Оптические свойства УНТ позволяют создавать новые устройства микрооптики.
Механические свойства. УНТ относительно прочнее стали примерно в 100–300 раз и в шесть раз легче ее.
Высокая теплопроводность, химическая и термическая стабильность – также отличительные особенности УНТ.
Суммируя сказанное, можно отметить: свойства УНТ в основном зависят от двух параметров – вектора хиральности и диаметра.
Механизмы роста УНТ
УНТ образуются как результат превращений содержащих углерод химических веществ под воздействием повышенной температуры.
Можно утверждать, что нити УНТ формируются на металлических частичках катализатора (рис.1–4) "экструзией" (базовый или корневой рост), когда нанотрубка растет с такой частицы, остающейся в контакте с подложкой (рис.4а), либо металлическая частица отрывается от подложки и удерживается на растущей нанотрубке (рис.4б). В зависимости от типа и размеров частиц катализатора, температуры и подаваемых газов растут одностенные или многостенные УНТ. При дуговом разряде, если частички катализатора не присутствуют в графите, нанотрубки будут расти на образующихся в плазме разряда частицах углерода С2.
Существует несколько методов синтеза УНТ. Наиболее часто упоминаются дуговой разряд, лазерная абляция, синтез в пламени и осаждение из газовой фазы (CVD-процесс).
Последний метод относительно прост, высокопроизводителен, легко масштабируем и дает наиболее качественные УНТ. Их очистка включает обработку кислотами и ультразвуком, окисление, отжиг, фильтрацию.
Газофазное осаждение
В основе метода лежит подача углеродсодержащего газа (метана, этилена, оксида углерода или ацетилена) в реактор и использование плазмы или резистивного нагрева для термохимического разложения этих соединений и получения атомарного углерода, который направляется на подогретую подложку, покрытую катализатором (обычно абсорбирующие углерод микрочастицы переходных металлов с низкой точкой плавления – железо, кобальт, никель, молибден). Важно контролировать такие параметры, как расположение на подложке, диаметр и скорость роста нанотрубок. Таким образом, CVD-метод получения нанотрубок состоит из двух этапов – подготовки катализатора и непосредственно синтеза УНТ.
Существует несколько вариантов нанесения катализатора на подложку – из раствора, испарением или распылением. Для индуцирования зародышеобразования частиц катализатора осуществляется их отжиг или химическое травление. При отжиге на подложке формируются кластеры, из которых при 650–900°С происходит рост УНТ с типичным выходом до 30%.
Модифицированное газофазное осаждение УНТ подразделяется на несколько вариантов:
стимулированное плазмой химическое осаждение;
термо-химическое осаждение;
спирто-каталитическое осаждение;
рост из газовой фазы;
осаждение с поддержкой аэрогелем;
стимулированное лазерным излучением термо-химическое осаждение;
CoMoCat процесс;
непропорциональный процесс с высоким давлением СО.
CVD-реакторы компании FirstNano
Американской компанией FirstNano (www.firstnano.com), cпециализирующейся на производстве высококачественного оборудования для синтеза одноразмерных наноструктур и наноматериалов и поставляющей его в университеты и исследовательские лаборатории по всему миру, разработан ряд реакторов для выращивания УНТ. В частности, в результате реализации совместного проекта с университетом Цинциннати (США) были синтезированы (рис.5) самые длинные в мире (около 18 мм) УНТ (http://nsf.gov/news/news_summ). В 2001 году компания выпустила серию установок EasyTube для синтеза УНТ.
Первая из них – EasyTube 2000 представляет собой модульную систему с горизонтальной кварцевой рабочей камерой диаметром до 75 мм. Подобная конфигурация часто используется в термохимическом пароосаждении, где металлы-катализаторы – Fe, Ni, Co – вначале осаждаются на подложке в определенной пропорции. После этого подложка помещается в камеру-реактор, где с помощью дополнительного травления частиц катализатора аммиаком формируются зародыши будущих нанотрубок (рис.6). Нагрев в реакторе осуществляется резистивно или с помощью ИК-излучения. На рис.7 показан массив УНТ, выращенный на частичках Fe.
Установка EasyTube 3000 (рис.8, 9) с горизонтальной кварцевой камерой построена аналогично и может работать с одновременной загрузкой до 20 подложек на цикл диаметром до 100 мм (рис.8а).
Подложки в камере установки EasyTube 4000 (рис.10) располагаются горизонтально. Для роста УНТ применяется дополнительный источник плазмы. В установке можно синтезировать не только нанотрубки и нанопровода, но и пленки аморфного и поликремния, диэлектрические и алмазоподобные пленки.
Потенциальное применение УНТ
Нобелевский лауреат 1996 года в области химии Р.Смайли говорил, что УНТ найдут применение в промышленности как ключевые компоненты многих электронных и микро-устройств. Область применения УНТ можно разделить на две части – практически немедленное применение УНТ, например, суперконденсаторы, и их будущее использование, где некоторые свойства УНТ, например, оптические, еще изучаются.
Чтобы превратить эти разработки в коммерческие продукты, необходима практичная методика выращивания УНТ, относительно низкие температуры и возможность нанесения катализаторов согласно заданному трафарету непосредственно на подложку. В этой связи можно рассматривать каталитический CVD-метод как наиболее предпочтительный для синтеза УНТ.
Первое место по потреблению, как ожидается, займут легкие и прочные материалы на основе УНТ для автомобильной, авиационной и аэрокосмической промышленности; материалы для спортивного инвентаря (теннисные ракетки, корпуса яхт, рыболовные снасти); технический текстиль; аккумуляторы водорода; материалы, поглощающие излучение радиолокаторов; заготовки для компакт-дисков; электромагнитные экраны; сверхъемкости в электрических батареях; химические и биологические датчики; эмиттеры электронов плоских экранов дисплеев, осветительных ламп и рентгеновских трубок; наноэлектронные интегральные схемы; кантилеверы атомно-силовых микроскопов. Чего стоит одна только идея космического лифта, где планируется использовать тросы из свитых УНТ для подъема различных грузов на околоземную орбиту (рис.11).
Эмиссия электронов (оптические свойства)
Благодаря высокой электрической проводимости и невероятно малому диаметру УНТ – лучшие эмиттеры электронов среди известных материалов. Высокая эмиссия возможна при низком приложенном напряжении, что важно при создании электрических устройств с малым энергопотреблением. Высокая плотность тока эмиссии наблюдается одновременно с его экстремальной стабильностью, что перспективно для использования в катодолюминесцентных источниках света и гибких экранах дисплеев (NanoPage) большой площади с излучателем электронов.
Усиленные и проводящие ток пластики с интегрированными УНТ
Пластики, будучи заменой металлов, как правило, представляют собой изоляторы и ток не проводят. Вместе с тем существует много применений, где проводимость необходима. Решение проблемы – создание токопроводящих наполнителей. Благодаря аспектному соотношению (отношения длины к диаметру трубок) УНТ – идеальные наполнители для создания токопроводящих пластиков. Они уже применяются для изготовления защитных изделий военного назначения, поглощающих излучение радаров, антистатических материалов, прозрачных проводящих покрытий.
Включение УНТ в композитный материал для создания крыльев и других частей летающих аппаратов, подвергающихся высоким нагрузкам, позволяет мгновенно обнаруживать методом измерения электросопротивления из нескольких точек появление микротрещин и других нежелательных изменений, например, расслаивание материала. Использование УНТ не только обеспечивает распознавание местонахождения микротрещин, но и способствует их залечиванию, восстановлению структуры при простой подаче электрического тока в нужные точки. В результате включенный в композит специальный материал расплавляется и восстанавливает его структуру и прочность.
Хранение энергии
Некоторые характеристики УНТ востребованы в материалах, используемых как электроды в батареях или конденсаторах. Большая площадь поверхности, высокая электропроводность и линейная геометрия делают поверхность УНТ доступной для электролита. В литий-ионных батареях уже используются электроды, стабилизированные многостенными УНТ. Нанотрубки также прекрасный материал для создания электродов в суперконденсаторах. Ячейки топливных элементов – еще одна область, в которой применение УНТ стремительно развивается.
Проводящие клеи и связующие
УНТ как проводящие наполнители перспективны для создания токопроводящих клеев, адгезивов, изолирующих компаундов, коаксиальных кабелей и других соединителей.
Молекулярная электроника
В изделиях молекулярной электроники размеры компонентов находятся на наноуровне, в результате чего соединения между ними особенно важны. Геометрия этих межсоединений, их электрическая проводимость, возможность их точного выведения делают УНТ идеальными кандидатами для подобного применения. Нанотрубки продемонстрировали также, что они сами могут использоваться в качестве элементов переключения, так называемых нанотранзисторов.
Невидимые глазу электрические схемы, основанные на прозрачных транзисторах, выполненных на основе УНТ, несомненно, найдут применение в военных и промышленных областях. Уже созданы первые прототипы таких схем. УНТ должны заменить существующие прозрачные электроды на основе оксидов индий–олово, которые будут использованы в первую очередь для создания "тач-скринов" и в производстве солнечных батарей.
Термоматериалы
Рекордная анизотропная термопроводимость УНТ позволяет использовать это свойство там, где требуется передача тепла из одной точки в другую. Например, в электронике для теплоотвода. Уже появились композиты с УНТ, также демонстрирующие высочайшую температурную проводимость.
Структурные композиты
Возможно, когда будет найден процесс производства нанотрубок достаточной длины, они заменят сталь во многих применениях. Следует заметить, что УНТ пока не являются волокнами, которые несут основную нагрузку, для чего применяют обычные углеродные волокна. Однако УНТ добавляют композитам новые прочностные свойства в направлении, перпендикулярном плоскости ориентации таких волокон. В США и в других развитых странах существуют компании, предлагающие коммерческие волокна и нити из чистых УНТ или из композитов с их включениями. Такие сверхпрочные волокна могут быть использованы, например, для создания бронежилетов, брони, специальных кабелей.
Основание для катализаторов
УНТ имеют чрезвычайно высокую поверхностную площадь. Например, в одностенных УНТ каждый атом являет собой две поверхности – снаружи и внутри нанотрубки, что в сочетании с возможностью присоединения к ним различных химических веществ обеспечивает уникальное использование УНТ как основания для уже существующих катализаторов и создания новых.
Керамика с интегрированными УНТ
Керамика, усиленная УНТ, гораздо прочнее известных материалов, проводит электричество и в зависимости от ориентации нанотрубок может проводить или не проводить тепло. Она выдерживает значительные тепловые нагрузки, имеет высокую химическую стойкость, что позволяет использовать ее для покрытия лопаток турбин или как внешнюю обшивку космических спускаемых аппаратов. В частности, керамика, состоящая из оксида алюминия, 5–10% УНТ и 5% ниобия в пять раз эффективнее против образования трещин под нагрузкой, чем чистый широко применяемый оксид алюминия, имеет электропроводность в семь раз выше, чем просто керамика с нанотрубками и проводит тепло в одном направлении – вдоль их ориентации, служа хорошим барьером для тепла в перпендикулярном направлении.
Биомедицинские применения
Большая часть тела человека состоит из углерода, что натолкнуло исследователей на мысль о биосовместимости УНТ с живыми тканями человека, причем имеются свидетельства об отсутствии токсичности нанотрубок. Клетки не сращиваются с ними, что дает возможность создания протезов и хирургических имплантатов на основе УНТ, которые также могут применяться для изготовления катетеров или артериальных трубочек (стентов), препятствующих сужению артерий. Также продемонстрировано, как отдельная спираль ДНК была присоединена к УНТ и затем введена в живую клетку, что может быть использовано в генной терапии. Существуют исследования по созданию с использованием УНТ искусственных мускулов.
Фильтрация воды и газообразных веществ
В промышленности развитых стран уже давно используют специальные фильтры воды и воздуха на основе УНТ. Такие фильтры не только захватывают очень меленькие частички твердых веществ, но и убивают большинство бактерий. Создаются фильтры для топлива, смазочных материалов, различных газообразных продуктов. Уникальные сорбционные свойства УНТ позволят применять их для отделения разных вредных примесей, например, тяжелых металлов (свинца, кадмия) и др.
Другие применения
Широкое применение УНТ находят в упаковке, так как их введение увеличивает ее сопротивление проникновению газов, что продлевает срок хранения продуктов. В США одна из пивных компаний профинансировала создание пластиковой упаковки с УНТ, в которой пиво остается холодным дольше, чем в обычной.
Одностенные нанотрубки (ОУНТ) могут использоваться как миниатюрные датчики с ультравысокой чувствительностью для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах. Такие нанодатчики могут применяться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических целях.
Будущее
Основные применения УНТ в настоящее время связаны с использованием многостенных УНТ (МУНТ). Потенциальное применение ОУНТ и двухстенных (ДУНТ) не так хорошо исследовано, что связано, в первую очередь с тем, что МУНТ получены гораздо раньше, и пока не создан недорогой процесс выращивания ОУНТ с высокой чистотой (отсутствием аморфного углерода и катализатора) и заранее заданной хиральностью, хотя компания Toray Industries (Япония) и заявила о создании такого процесса. Несомненно, когда подобный процесс начнет широко использоваться, можно ожидать взрывного роста коммерческих применений ОУНТ, в которых будет использована их высочайшая специфическая поверхность. Другой вызов связан с созданием процесса выращивания УНТ в сотни миллиметров в длину.
В заключение можно сказать, что УНТ имеют множество уникальных и важных свойств. Хотя для определенных применений требуются значительные инвестиции и время, чтобы дойти до коммерческих продуктов, УНТ уже широко применяются и обеспечивают значительную экономическую выгоду.
Литература
S.Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon. – Nature, 1991.v.354, p.56–58.
M.S.Dresselhaus, G.Dresselhaus, P.C.Eklund 1996 Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes (Academic Press, New York).
Bronikowski, M.J., P.A.Willis, D.T.Colbert, K.A.Smith and R.E.Smalley. J. Vac. Sci. Technol. A-Vac. Surf. Films, 2001. 19(4): p. 1800–1805.
Cruden B.A., A.M.Cassell, Q.Ye, and M.Meyyappan. – J. Appl. Phys., 2003. 94(6): p. 4070–4078.
C.D.Scott, S.Arepalli, P.Nikolaev and R.E.Smalley. Growth mechanisms for single-wall carbon nanotubes in a laser-ablation process. – Applied Physics A, 2001, v.72, p. 573–580.
N.Wang, Z.K.Tang, G.D.Li and J.S.Chen. Single-walled 4A carbon nanotube arrays. – Nature, 2000, v.408, p.50–51.
L.X.Zheng, M.J.O’Connell, S.K.Doorn, X.Z.Liao, Y.H.Zhao, E.A.Akhadov, M.A.Hoffbauer, B.J.Roop, Q.X.Jia, R.C.Dye, D.E.Peterson, S.M.Huang, J.Liu and Y.T.Zhu. Ultralong single-wall carbon nanotubes. – Nature Materials, 2004, v.3, p. 673.
W.A.deHeer, A.Chatelain and D.Ugarte. A Carbon Nanotube Field-Emission Electron Source, Science, 1995, v.270, p.1179–1180.
A.G.Nasibulin, A.Moisala, D.P.Brown, H.Jiang and E.I.Kauppinen. – Chem. Phys. Lett., 2005, 402, 227.
УНТ были синтезированы в 70-е годы 20 века в СССР, но интерес к ним начал взрывообразно расти после опубликованной в 1991 году в журнале Nature статьи С.Ииджимы (компания NEC).
Свойства УНТ
Химическая реактивность УНТ в сравнении с листом графена выше вследствие кривизны поверхности первой.
Электропроводность. В зависимости от угла ориентации плоскости относительно оси (вектора хиральности) УНТ могут быть проводниками или полупроводниками.
Оптические свойства УНТ позволяют создавать новые устройства микрооптики.
Механические свойства. УНТ относительно прочнее стали примерно в 100–300 раз и в шесть раз легче ее.
Высокая теплопроводность, химическая и термическая стабильность – также отличительные особенности УНТ.
Суммируя сказанное, можно отметить: свойства УНТ в основном зависят от двух параметров – вектора хиральности и диаметра.
Механизмы роста УНТ
УНТ образуются как результат превращений содержащих углерод химических веществ под воздействием повышенной температуры.
Можно утверждать, что нити УНТ формируются на металлических частичках катализатора (рис.1–4) "экструзией" (базовый или корневой рост), когда нанотрубка растет с такой частицы, остающейся в контакте с подложкой (рис.4а), либо металлическая частица отрывается от подложки и удерживается на растущей нанотрубке (рис.4б). В зависимости от типа и размеров частиц катализатора, температуры и подаваемых газов растут одностенные или многостенные УНТ. При дуговом разряде, если частички катализатора не присутствуют в графите, нанотрубки будут расти на образующихся в плазме разряда частицах углерода С2.
Существует несколько методов синтеза УНТ. Наиболее часто упоминаются дуговой разряд, лазерная абляция, синтез в пламени и осаждение из газовой фазы (CVD-процесс).
Последний метод относительно прост, высокопроизводителен, легко масштабируем и дает наиболее качественные УНТ. Их очистка включает обработку кислотами и ультразвуком, окисление, отжиг, фильтрацию.
Газофазное осаждение
В основе метода лежит подача углеродсодержащего газа (метана, этилена, оксида углерода или ацетилена) в реактор и использование плазмы или резистивного нагрева для термохимического разложения этих соединений и получения атомарного углерода, который направляется на подогретую подложку, покрытую катализатором (обычно абсорбирующие углерод микрочастицы переходных металлов с низкой точкой плавления – железо, кобальт, никель, молибден). Важно контролировать такие параметры, как расположение на подложке, диаметр и скорость роста нанотрубок. Таким образом, CVD-метод получения нанотрубок состоит из двух этапов – подготовки катализатора и непосредственно синтеза УНТ.
Существует несколько вариантов нанесения катализатора на подложку – из раствора, испарением или распылением. Для индуцирования зародышеобразования частиц катализатора осуществляется их отжиг или химическое травление. При отжиге на подложке формируются кластеры, из которых при 650–900°С происходит рост УНТ с типичным выходом до 30%.
Модифицированное газофазное осаждение УНТ подразделяется на несколько вариантов:
стимулированное плазмой химическое осаждение;
термо-химическое осаждение;
спирто-каталитическое осаждение;
рост из газовой фазы;
осаждение с поддержкой аэрогелем;
стимулированное лазерным излучением термо-химическое осаждение;
CoMoCat процесс;
непропорциональный процесс с высоким давлением СО.
CVD-реакторы компании FirstNano
Американской компанией FirstNano (www.firstnano.com), cпециализирующейся на производстве высококачественного оборудования для синтеза одноразмерных наноструктур и наноматериалов и поставляющей его в университеты и исследовательские лаборатории по всему миру, разработан ряд реакторов для выращивания УНТ. В частности, в результате реализации совместного проекта с университетом Цинциннати (США) были синтезированы (рис.5) самые длинные в мире (около 18 мм) УНТ (http://nsf.gov/news/news_summ). В 2001 году компания выпустила серию установок EasyTube для синтеза УНТ.
Первая из них – EasyTube 2000 представляет собой модульную систему с горизонтальной кварцевой рабочей камерой диаметром до 75 мм. Подобная конфигурация часто используется в термохимическом пароосаждении, где металлы-катализаторы – Fe, Ni, Co – вначале осаждаются на подложке в определенной пропорции. После этого подложка помещается в камеру-реактор, где с помощью дополнительного травления частиц катализатора аммиаком формируются зародыши будущих нанотрубок (рис.6). Нагрев в реакторе осуществляется резистивно или с помощью ИК-излучения. На рис.7 показан массив УНТ, выращенный на частичках Fe.
Установка EasyTube 3000 (рис.8, 9) с горизонтальной кварцевой камерой построена аналогично и может работать с одновременной загрузкой до 20 подложек на цикл диаметром до 100 мм (рис.8а).
Подложки в камере установки EasyTube 4000 (рис.10) располагаются горизонтально. Для роста УНТ применяется дополнительный источник плазмы. В установке можно синтезировать не только нанотрубки и нанопровода, но и пленки аморфного и поликремния, диэлектрические и алмазоподобные пленки.
Потенциальное применение УНТ
Нобелевский лауреат 1996 года в области химии Р.Смайли говорил, что УНТ найдут применение в промышленности как ключевые компоненты многих электронных и микро-устройств. Область применения УНТ можно разделить на две части – практически немедленное применение УНТ, например, суперконденсаторы, и их будущее использование, где некоторые свойства УНТ, например, оптические, еще изучаются.
Чтобы превратить эти разработки в коммерческие продукты, необходима практичная методика выращивания УНТ, относительно низкие температуры и возможность нанесения катализаторов согласно заданному трафарету непосредственно на подложку. В этой связи можно рассматривать каталитический CVD-метод как наиболее предпочтительный для синтеза УНТ.
Первое место по потреблению, как ожидается, займут легкие и прочные материалы на основе УНТ для автомобильной, авиационной и аэрокосмической промышленности; материалы для спортивного инвентаря (теннисные ракетки, корпуса яхт, рыболовные снасти); технический текстиль; аккумуляторы водорода; материалы, поглощающие излучение радиолокаторов; заготовки для компакт-дисков; электромагнитные экраны; сверхъемкости в электрических батареях; химические и биологические датчики; эмиттеры электронов плоских экранов дисплеев, осветительных ламп и рентгеновских трубок; наноэлектронные интегральные схемы; кантилеверы атомно-силовых микроскопов. Чего стоит одна только идея космического лифта, где планируется использовать тросы из свитых УНТ для подъема различных грузов на околоземную орбиту (рис.11).
Эмиссия электронов (оптические свойства)
Благодаря высокой электрической проводимости и невероятно малому диаметру УНТ – лучшие эмиттеры электронов среди известных материалов. Высокая эмиссия возможна при низком приложенном напряжении, что важно при создании электрических устройств с малым энергопотреблением. Высокая плотность тока эмиссии наблюдается одновременно с его экстремальной стабильностью, что перспективно для использования в катодолюминесцентных источниках света и гибких экранах дисплеев (NanoPage) большой площади с излучателем электронов.
Усиленные и проводящие ток пластики с интегрированными УНТ
Пластики, будучи заменой металлов, как правило, представляют собой изоляторы и ток не проводят. Вместе с тем существует много применений, где проводимость необходима. Решение проблемы – создание токопроводящих наполнителей. Благодаря аспектному соотношению (отношения длины к диаметру трубок) УНТ – идеальные наполнители для создания токопроводящих пластиков. Они уже применяются для изготовления защитных изделий военного назначения, поглощающих излучение радаров, антистатических материалов, прозрачных проводящих покрытий.
Включение УНТ в композитный материал для создания крыльев и других частей летающих аппаратов, подвергающихся высоким нагрузкам, позволяет мгновенно обнаруживать методом измерения электросопротивления из нескольких точек появление микротрещин и других нежелательных изменений, например, расслаивание материала. Использование УНТ не только обеспечивает распознавание местонахождения микротрещин, но и способствует их залечиванию, восстановлению структуры при простой подаче электрического тока в нужные точки. В результате включенный в композит специальный материал расплавляется и восстанавливает его структуру и прочность.
Хранение энергии
Некоторые характеристики УНТ востребованы в материалах, используемых как электроды в батареях или конденсаторах. Большая площадь поверхности, высокая электропроводность и линейная геометрия делают поверхность УНТ доступной для электролита. В литий-ионных батареях уже используются электроды, стабилизированные многостенными УНТ. Нанотрубки также прекрасный материал для создания электродов в суперконденсаторах. Ячейки топливных элементов – еще одна область, в которой применение УНТ стремительно развивается.
Проводящие клеи и связующие
УНТ как проводящие наполнители перспективны для создания токопроводящих клеев, адгезивов, изолирующих компаундов, коаксиальных кабелей и других соединителей.
Молекулярная электроника
В изделиях молекулярной электроники размеры компонентов находятся на наноуровне, в результате чего соединения между ними особенно важны. Геометрия этих межсоединений, их электрическая проводимость, возможность их точного выведения делают УНТ идеальными кандидатами для подобного применения. Нанотрубки продемонстрировали также, что они сами могут использоваться в качестве элементов переключения, так называемых нанотранзисторов.
Невидимые глазу электрические схемы, основанные на прозрачных транзисторах, выполненных на основе УНТ, несомненно, найдут применение в военных и промышленных областях. Уже созданы первые прототипы таких схем. УНТ должны заменить существующие прозрачные электроды на основе оксидов индий–олово, которые будут использованы в первую очередь для создания "тач-скринов" и в производстве солнечных батарей.
Термоматериалы
Рекордная анизотропная термопроводимость УНТ позволяет использовать это свойство там, где требуется передача тепла из одной точки в другую. Например, в электронике для теплоотвода. Уже появились композиты с УНТ, также демонстрирующие высочайшую температурную проводимость.
Структурные композиты
Возможно, когда будет найден процесс производства нанотрубок достаточной длины, они заменят сталь во многих применениях. Следует заметить, что УНТ пока не являются волокнами, которые несут основную нагрузку, для чего применяют обычные углеродные волокна. Однако УНТ добавляют композитам новые прочностные свойства в направлении, перпендикулярном плоскости ориентации таких волокон. В США и в других развитых странах существуют компании, предлагающие коммерческие волокна и нити из чистых УНТ или из композитов с их включениями. Такие сверхпрочные волокна могут быть использованы, например, для создания бронежилетов, брони, специальных кабелей.
Основание для катализаторов
УНТ имеют чрезвычайно высокую поверхностную площадь. Например, в одностенных УНТ каждый атом являет собой две поверхности – снаружи и внутри нанотрубки, что в сочетании с возможностью присоединения к ним различных химических веществ обеспечивает уникальное использование УНТ как основания для уже существующих катализаторов и создания новых.
Керамика с интегрированными УНТ
Керамика, усиленная УНТ, гораздо прочнее известных материалов, проводит электричество и в зависимости от ориентации нанотрубок может проводить или не проводить тепло. Она выдерживает значительные тепловые нагрузки, имеет высокую химическую стойкость, что позволяет использовать ее для покрытия лопаток турбин или как внешнюю обшивку космических спускаемых аппаратов. В частности, керамика, состоящая из оксида алюминия, 5–10% УНТ и 5% ниобия в пять раз эффективнее против образования трещин под нагрузкой, чем чистый широко применяемый оксид алюминия, имеет электропроводность в семь раз выше, чем просто керамика с нанотрубками и проводит тепло в одном направлении – вдоль их ориентации, служа хорошим барьером для тепла в перпендикулярном направлении.
Биомедицинские применения
Большая часть тела человека состоит из углерода, что натолкнуло исследователей на мысль о биосовместимости УНТ с живыми тканями человека, причем имеются свидетельства об отсутствии токсичности нанотрубок. Клетки не сращиваются с ними, что дает возможность создания протезов и хирургических имплантатов на основе УНТ, которые также могут применяться для изготовления катетеров или артериальных трубочек (стентов), препятствующих сужению артерий. Также продемонстрировано, как отдельная спираль ДНК была присоединена к УНТ и затем введена в живую клетку, что может быть использовано в генной терапии. Существуют исследования по созданию с использованием УНТ искусственных мускулов.
Фильтрация воды и газообразных веществ
В промышленности развитых стран уже давно используют специальные фильтры воды и воздуха на основе УНТ. Такие фильтры не только захватывают очень меленькие частички твердых веществ, но и убивают большинство бактерий. Создаются фильтры для топлива, смазочных материалов, различных газообразных продуктов. Уникальные сорбционные свойства УНТ позволят применять их для отделения разных вредных примесей, например, тяжелых металлов (свинца, кадмия) и др.
Другие применения
Широкое применение УНТ находят в упаковке, так как их введение увеличивает ее сопротивление проникновению газов, что продлевает срок хранения продуктов. В США одна из пивных компаний профинансировала создание пластиковой упаковки с УНТ, в которой пиво остается холодным дольше, чем в обычной.
Одностенные нанотрубки (ОУНТ) могут использоваться как миниатюрные датчики с ультравысокой чувствительностью для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах. Такие нанодатчики могут применяться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических целях.
Будущее
Основные применения УНТ в настоящее время связаны с использованием многостенных УНТ (МУНТ). Потенциальное применение ОУНТ и двухстенных (ДУНТ) не так хорошо исследовано, что связано, в первую очередь с тем, что МУНТ получены гораздо раньше, и пока не создан недорогой процесс выращивания ОУНТ с высокой чистотой (отсутствием аморфного углерода и катализатора) и заранее заданной хиральностью, хотя компания Toray Industries (Япония) и заявила о создании такого процесса. Несомненно, когда подобный процесс начнет широко использоваться, можно ожидать взрывного роста коммерческих применений ОУНТ, в которых будет использована их высочайшая специфическая поверхность. Другой вызов связан с созданием процесса выращивания УНТ в сотни миллиметров в длину.
В заключение можно сказать, что УНТ имеют множество уникальных и важных свойств. Хотя для определенных применений требуются значительные инвестиции и время, чтобы дойти до коммерческих продуктов, УНТ уже широко применяются и обеспечивают значительную экономическую выгоду.
Литература
S.Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon. – Nature, 1991.v.354, p.56–58.
M.S.Dresselhaus, G.Dresselhaus, P.C.Eklund 1996 Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes (Academic Press, New York).
Bronikowski, M.J., P.A.Willis, D.T.Colbert, K.A.Smith and R.E.Smalley. J. Vac. Sci. Technol. A-Vac. Surf. Films, 2001. 19(4): p. 1800–1805.
Cruden B.A., A.M.Cassell, Q.Ye, and M.Meyyappan. – J. Appl. Phys., 2003. 94(6): p. 4070–4078.
C.D.Scott, S.Arepalli, P.Nikolaev and R.E.Smalley. Growth mechanisms for single-wall carbon nanotubes in a laser-ablation process. – Applied Physics A, 2001, v.72, p. 573–580.
N.Wang, Z.K.Tang, G.D.Li and J.S.Chen. Single-walled 4A carbon nanotube arrays. – Nature, 2000, v.408, p.50–51.
L.X.Zheng, M.J.O’Connell, S.K.Doorn, X.Z.Liao, Y.H.Zhao, E.A.Akhadov, M.A.Hoffbauer, B.J.Roop, Q.X.Jia, R.C.Dye, D.E.Peterson, S.M.Huang, J.Liu and Y.T.Zhu. Ultralong single-wall carbon nanotubes. – Nature Materials, 2004, v.3, p. 673.
W.A.deHeer, A.Chatelain and D.Ugarte. A Carbon Nanotube Field-Emission Electron Source, Science, 1995, v.270, p.1179–1180.
A.G.Nasibulin, A.Moisala, D.P.Brown, H.Jiang and E.I.Kauppinen. – Chem. Phys. Lett., 2005, 402, 227.
Отзывы читателей
