Перспективы развития и применения нанотехнологий. углеродные нанотрубки – революция в сфере технологии наночастиц

    Дисциплина: Химия и физика
    Тип работы: Доклад
    Тема: Перспективы развития и применения нанотехнологий. углеродные нанотрубки – революция в сфере технологии наночастиц

    ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ – РЕВОЛЮЦИЯ В СФЕРЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНОЧАСТИЦ
    Д.В.Маринин
    Углеродные каркасные структуры
    - это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры - это новая
    аллотропная форма
    углерода
    . Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри "оболочки". Самая знаменитая из углеродных каркасных структур - это фуллерен
    60 (Рис.1а), абсолютно неожиданное открытие, которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области. В конце 80-х, начале 90-х годов, после того как была
    разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других, как более легких, так и более тяжелых фуллеренов: начиная от C
    20 (минимально возможного из фуллеренов) и до C
    70, C
    82, C
    96, и выше (некоторые из них показаны на Рис.).
    При изучении нанотрубок всплывают весьма интересные и удивительные качества. Во-первых, разнообразие форм: нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные,
    прямые (Рис.2а, б) и спиральные (Рис.2в). Во-вторых, несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на
    изгиб. Более того, под действием
    механических напряжений
    , превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются! Далее, нанотрубки демонстрируют целый
    спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и
    проводниками
    , и
    полупроводниками
    Наконец, поражает разнообразие применений, которые уже придуманы для нанотрубок. Первое, что напрашивается само собой, это применение нанотрубок в качестве очень прочных
    микроскопических стержней и нитей. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования,
    модуль Юнга
    однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5
    ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни микронов - что, конечно, очень велико по атомным
    масштабам, но слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается. Поэтому есть все основания надеяться, что в
    скором будущем могут появиться нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры! Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии: ведь "трос" толщиной с человеческий волос, способный
    удерживать груз в сотни килограмм, найдет себе бесчисленное множество применений.
    Нанотрубки могут выступать не только в роли исследуемого материала, но и как инструмент исследования.
    На основе нанотрубки можно, к примеру, создать микроскопические весы. Берем нанотрубку, определяем
    частоту ее
    собственных колебаний
    , затем прикрепляем к ней исследуемый образец и определяем частоту колебаний нагруженной нанотрубки. Эта частота будет меньше частоты колебаний свободной нанотрубки: ведь масса
    системы увеличилась, а
    жесткость
    осталась прежней. [Например, было обнаружено, что груз уменьшает частоту колебаний с 3.28 МГц до 968 кГц, откуда была получена масса груза 22
    фг (
    фемтограмм, т.е. 10
    -15 грамм!)].
    Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники.
    Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из
    нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и
    вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона!
    Пустоты внутри нанотрубок (и углеродных каркасных структур вообще) также привлекают внимание. В самом деле, а что будет, если внутрь фуллерена поместить атом какого-нибудь
    вещества? Эксперименты показали, что интеркаляция (т.е. внедрение) атомов различных металлов меняет электрические свойства фуллеренов и может даже превратить изолятор в
    сверхпроводник
    ! Оказывается можно таким же образом изменить свойства нанотрубок. Ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами
    гадолиния
    ! На Рис схематично показана структура такой нанотрубки и приведен снимок, полученный исследователями с помощью электронной микроскопии. Электрические свойства такой необычной
    структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Как, оказывается, много значит
    валентный электрон
    , отдаваемый атомом металла во всеобщее распоряжение! Кстати, интересно отметить, что для таких соединений разработаны специальные химические обозначения. Описанная выше структура
    записывается как Gd@C
    60@SWNT, что означает "
    Gd внутри C
    60 внутри однослойной нанотрубки (
    Single
    Wall
    NanoTube)".
    В нанотрубки можно не только "загонять" атомы и молекулы поодиночке, но и буквально "вливать" вещество. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает
    капиллярными свойствами
    , то есть она как бы втягивает в себя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных
    веществ:
    белков
    , ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно "запаяны", а
    углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки
    раскрываются с одного конца (а операции "запаивания" и "
    распаивания" концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это - не фантастика, эксперименты
    такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10-20 лет на базе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному
    вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными
    ферментами
    , эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и "вскрываются" в определенный момент времени. Современная технология уже
    практически готова к реализации такой схемы.
    Также из-за высокой удельной поверхности и наличия незаполненных объемов углеродные нанотрубки обладают повышенными сорбционными свойствами. Они способны поглощать (сорбировать)
    значительное количество как газообразного, так и жидкого вещества. Эта способность весьма привлекательна для создания сверхминиатюрных сенсоров, способных детектировать малейшие
    примеси в атмосферном воздухе. Принци...

    Забрать файл

    Похожие материалы:


    Добавить комментарий
    Старайтесь излагать свои мысли грамотно и лаконично

    Введите код:
    Включите эту картинку для отображения кода безопасности
    обновить, если не виден код



ПИШЕМ УНИКАЛЬНЫЕ РАБОТЫ
Заказывайте напрямую у исполнителя!


© 2006-2016 Все права защищены