Углеродные нанотрубки для чего
Углеродные нанотрубки: виды и области применения
Углеродные нанотрубки представляют собой молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных модификаций углерода. Они представляют собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной от одного до нескольких микрон.
Считается, что первооткрывателем углеродных нанотрубок является сотрудник японской корпорации NEC Сумио Ииджима, который в 1991 году наблюдал структуры многослойных нанотрубок при изучении под электронным микроскопом осадков, которые образовывались в процессе синтеза молекулярных форм чистого углерода, имеющего клеточную структуру.
Классификация
Основная классификация нанотрубок проводится по количеству составляющих их слоев.
Однослойные нанотрубки (single-walled nanotubes, SNWTs) – простейший вид нанотрубок. Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во много тысяч раз больше. Структуру однослойных нанотрубок можно представить как «обертывание» гексагональной сетки графита (графена), основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода, в бесшовный цилиндр. Верхние концы трубок закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половины молекулы фуллерена.
Многослойные нанотрубки (multi-walled nanotubes, MWNTs) состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние между слоями равно 0.34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите.
Существуют две модели, использующиеся для описания их структуры. Многослойные нанотрубки могут представлять собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемая «матрешка»). В другом случае, один «лист» графена оборачивается несколько раз вокруг себя, что похоже на прокрутку пергамента или газеты (модель «пергамента»).
Рисунок 2. Графическое изображение многослойной нанотрубки (модель «матрешка»)
Методы синтеза
Наиболее распространенными методами синтеза нанотрубок являются электродуговой метод, лазерная абляция и химическое осаждение из газовой фазы (CVD).
Дуговой разряд (Arc discharge) — сущность этого метода состоит в получении углеродных нанотрубок в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия, на технологических установках для получения фуллеренов. Однако здесь используются другие режимы горения дуги: низкие плотности тока дугового разряда, более высокое давление гелия (
500 Торр), катоды большего диаметра.
Для увеличения выхода нанотрубок в продуктах распыления в графитовый стержень вводится катализатор (смеси металлов группы железа), изменяется давление инертного газа и режима распыления.
В катодном осадке содержание нанотрубок достигает 60%. Образующиеся нанотрубки длиной до 40 мкм растут от катода перпендикулярно его поверхности и объединяются в цилиндрические пучки диаметром около 50 км.
Лазерная абляция (Laser ablation)
Этот метод был изобретен Ричардом Смалли и сотрудниками Rice University» и основан на испарении графитовой мишени в высокотемпературной реакторе. Нанотрубки появляются на охлажденной поверхности реактора как конденсат испарения графита. Водоохлаждаемая поверхность может быть включена в систему сбора нанотрубок.
Выход продукта в этом методе – около 70%. С его помощью получают преимущественно однослойные углеродные нанотрубки с контролируемым посредством температуры реакции диаметром. Однако стоимость данного метода намного дороже остальных.
Химическое осаждение из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD)
Метод каталитического осаждения паров углерода был выявлен еще в 1959 году, однако до 1993 года никто не предполагал, что в этом процессе можно получить нанотрубки.
В процессе этого метода готовится подложка со слоем катализатора – частиц металла (чаще всего никеля, кобальта, железа или их комбинаций). Диаметр нанотрубок, выращенных таким способом, зависит от размера металлических частиц.
Этот механизм является наиболее распространенным коммерческим методом производства углеродных нанотрубок. Среди других методов получения нанотрубок CVD наиболее перспективен в промышленных масштабах благодаря наилучшему соотношению в плане цены на единицу продукции. Кроме того, он позволяет получать вертикально ориентированные нанотрубки на желаемом субстрате без дополнительного сбора, а также контролировать их рост посредством катализатора.
Области применения
Углеродные нанотрубки вместе с фуллеренами и мезопористыми углеродными структурами образуют новый класс углеродных наноматериалов, или углеродных каркасных структур, со свойствами, которые значительно отличаются от других форм углерода, таких как графит и алмаз. Однако наиболее перспективными их них являются именно нанотрубки.
Благодаря своим уникальным свойствам (высокая прочность (63 ГПа), сверхпроводимость, капиллярные, оптические, магнитные свойства и т.д.) углеродные нанотрубки могут найти применение в огромном количестве областей:
Более чем десятилетие углеродные нанотрубки, несмотря на свои впечатляющие эксплуатационные свойства, использовались, в большинстве случаев, для научных исследований. Эти материалы не смогли пока занять прочные позиции на рынке, в основном, из-за проблем с их масштабным производством и неконкурентоспособными ценами (средняя цена нанотрубок в настоящее время составляет около 117 долл./г).
В настоящее время главными областями применения углеродных нанотрубок являются спортивные товары (углеродные нанотрубки входят в состав композитов, из которых они изготавливаются), электроника и автомобилестроение (здесь нанотрубки используются для придания полимерам антистатических и проводящих свойств).
В перспективе электроника будет продолжать доминировать среди областей применения нанотрубок, однако большие возможности также связаны с медицинским и энергетическим рынками.
Таким образом, углеродные нанотрубки играют значительную роль в зарождающейся нанотехнологической индустрии. По прогнозам аналитиков, рынок УНТ, который характеризовался умеренным ростом до 2004-2005 годов, будет значительными темпами расширяться в ближайшие годы.
Ожидается также увеличение компаниями производственных мощностей и рост производства, что соответственно приведет к снижению цены, а, следовательно, доступности УНТ. Все это вместе с ростом спроса обеспечит интенсивное использование углеродных нанотрубок в большом количестве разнообразных отраслей.
Проблемы применения углеродных нанотрубок
Кроме того, некоторые эксперты считают, что исследователи недооценивают риски, связанные с массовым производством углеродных нанотрубок. Согласно недавнему выступлению ученых из Массачусетского Технологического Института (MIT) на заседании Американского Химического Общества, (American Chemical Society), интенсивное производство этих материалов может серьезно повлиять на мировую экологию.
Детальный анализ самого распространенного метода производства нанотрубок, химического осаждения в паровой фазе (CVD), показал наличие как минимум 15 ароматических углеводородов, в том числе были обнаружены 4 токсичных полицикличных углеродных соединения. Наиболее вредным в составе побочных продуктов производства был признан полициклический бензaпирен, широко известный канцероген, действующий на ткани человека. Другие составляющие представляют собой прямую угрозу озоновому слою планеты.
Углеродные нанотрубки: как в России создают невозможные материалы
Фундаментальные и прикладные исследования физических неравновесных систем молекулярных кластеров выполнялись учеными в Институте теплофизики СО РАН много лет. Именно они позже легли в основу единственной в мире масштабируемой технологии промышленного синтеза одностенных углеродных нанотрубок или графеновых нанотрубок. Её создателем стал академик Михаил Предтеченский, а практическую реализацию его идеи получили благодаря основанию компании OCSiAl, одним из инвесторов которой выступила Группа «Роснано».
Графеновые нанотрубки обладают уникальными физическими свойствами – невероятной прочностью, гибкостью, высокой электропроводностью, устойчивостью к высоким температурам, рекордным соотношением длины к диаметру и большой площадью поверхности, а также химической инертностью – совместимы практически со всеми материалами. Эти уникальные свойства делают графеновые нанотрубки единственным универсальным аддитивом, улучшающим удельные свойства большинства известных материалов. Нанотрубки позволяют создавать ранее невозможные материалы и продукты, которые изменят многие отраслевые стандарты и облик современного мира.
Для этого достаточно крайне низкой концентрации трубок в общей массе материала – от 0,01%. Проводники из нанотрубок в 5 раз легче медных, при этом в 100 раз прочнее стали и обеспечивают необходимый уровень электропроводности при концентрации 0,015% — 1%. При добавлении графеновых нанотрубок в алюминий и полимерные материалы из них могут быть сделаны детали, равнопрочные стальным, но гораздо более легкие. Новые литий-ионные аккумуляторы, изготовленные с использованием графеновых нанотрубок, по мощности, запасу энергии и жизненному циклу оставляют далеко позади существующие. Это дает мощный импульс развитию электротранспорта и альтернативной энергетики.
«Популярная механика» первой поздравила Михаила Предтеченского с Государственной премией и немного поговорила с ним.
«ПМ»: Михаил Рудольфович, где лежит грань между фундаментальными и прикладными исследованиями?
МП: Последнее десятилетие моя научная работа связана с попыткой достичь результатов, которые значимы и могут оказать влияние на людей, быть полезными человечеству. И я пришел к своему определению фундаментальной науки.
Это то, что должно лежать в фундаменте. Фундаментальным результатом можно считать, например, тот момент, когда человек привязал камень к палке, получил топор и научился делать другие каменные орудия. Или изобретение бронзы, железа. И так мы приходим к технологическим укладам — каменный век, бронзовый век, железный век.
Попутно с решением этих задач было найдено много мыслительных решений, о который сейчас никто и не помнит. А фундаментальный результат — который лежит в основе и о котором помнят. Люди помнят о том, что им полезно. Тот же каменный топор, безусловно, фундаментальное открытие, но имеет большое прикладное значение. Поэтому разделение на фундаментальные и прикладные исследования искусственно.
Я начал заниматься наночастицами когда и слова такого не было, они назывались кластерными структурами, а я был аспирантом. У меня кандидатская диссертация даже на эту тему. Нанотехнологии всегда были в сфере моих интересов, хотя я занимался разными вещами: плазмой, лазерной плазмой, высокотемпературной сверхпроводимостью. Но везде я эту тему отслеживал, потому что тема наномасштабов суперфундаментальна. Как только мы раздробим любой материал до наноразмеров, у него начинают появляться совершенно невероятные свойства. И если научиться процесс контролировать — то это прямой путь к новым материалам.
Когда более 20 лет назад были открыты углеродные нанотрубки, я не стал ими заниматься, поскольку у нас были успехи в области высокотемпературной сверхпроводимости, мы были мировыми лидерами, а две такие темы тянуть было невозможно. Тем более было не понятно, для чего нанотрубки нужны. А лет десять назад попал на выставку «Роснано» и увидел, что нанотрубки стали использовать как добавки в материалы, и это давало очень сильный эффект. Я понял, что они имеют очень большие перспективы.
Еще одна из идей была в том, что удешевление технологии лежит в масштабировании. Нужно было сделать технологию, которая масштабируется. Поэтому в качестве лабораторной установки был выбран плазменный реактор — плазмотрон, который я и придумал. Вечный плазмотрон, не имеющий ограничений. И мы начали работать на нем и быстро получили первые нанотрубки. Первый промышленный реактор был построен через пять лет. В первый год он синтезировал чуть больше тонны графеновых трубок, сейчас только он производит больше 20 тонн трубок в год — масштабируемость оказалась сильно выше расчетной. А весь OCsiAl — более 75 тонн.
Сегодня самыми перспективными материалами считаются графен и графеновые нанотрубки, а самые передовые материалы — карбоновые, самые легкие и прочные. Можно ожидать, что через некоторое время нашу эпоху будут называть карбоновой. Мы хорошо поработали в этой области, получили уникальные результаты в области углеродных нанотрубок, компания OCSiAl стала научным и технологическим мировым лидером в этой области, мы получили новые материалы и улучшили свойства старых. Это фундаментальные открытия и фундаментальная работа. И присуждение Государственной премии является подтверждением правильности моих мыслей.
Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой цилиндры из одного или нескольких слоев графена (решетки). Диаметр однослойных углеродных нанотрубок (ОСНТ) и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) обычно составляет от 0,8 до 2 нм и от 5 до 20 нм соответственно, хотя диаметр МУНТ может превышать 100 нм. Длина УНТ составляет от менее 100 нм до 0,5 м.
Недавно в нескольких исследованиях была выявлена перспектива использования углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков для изготовления трехмерных макроскопических (> 1 мм во всех трех измерениях) полностью углеродных устройств. Lalwani et al. сообщили о новом методе термического сшивания, инициированном радикалами, для изготовления макроскопических, отдельно стоящих, пористых полностью углеродных каркасов с использованием однослойных и многостенных углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков. Эти каркасы обладают макро-, микро- и наноструктурированными порами, а пористость может быть адаптирована для конкретных применений. Эти трехмерные полностью углеродные каркасы / архитектуры могут быть использованы для изготовления следующего поколения аккумуляторов энергии, суперконденсаторов, автоэмиссионных транзисторов, высокоэффективных каталитических, фотоэлектрических и биомедицинских устройств и имплантатов.
СОДЕРЖАНИЕ
Биологические и биомедицинские исследования
Исследователи из Университета Райса и Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук показали, что добавление углеродных нанотрубок с низким вес.% Может привести к значительному улучшению механических свойств биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для применения в тканевой инженерии, включая кости, хрящи, мышцы и др. нервная ткань. Дисперсия графена с низким процентным содержанием (
0,02 мас.%) Приводит к значительному увеличению механических свойств полимерных нанокомпозитов при сжатии и изгибе. Исследователи из Университета Райса, Университета Стоуни-Брук, Медицинского центра Университета Рэдбауд в Неймегене и Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что углеродные нанотрубки и их полимерные нанокомпозиты являются подходящими материалами каркаса для инженерии костной ткани и формирования кости.
Также в разработке находятся источники рентгеновского излучения с включением CNT для медицинской визуализации. Опираясь на уникальные свойства УНТ, исследователи разработали автоэмиссионные катоды, которые позволяют точно контролировать рентгеновское излучение и близко размещать несколько источников. Источники рентгеновского излучения с УНТ были продемонстрированы для доклинических применений при визуализации мелких животных и в настоящее время проходят клинические испытания.
Углеродные нанотрубки были выращены внутри микрофлюидных каналов для химического анализа на основе электрохроматографии. Здесь высокое отношение площади поверхности к объему и высокая гидрофобность УНТ используются для того, чтобы значительно сократить время анализа небольших нейтральных молекул, которые обычно требуют большого громоздкого оборудования для анализа.
Композитные материалы
На перспективу, выдающиеся прорывы уже сделаны. Новаторская работа под руководством Рэя Х. Боумана из NanoTech Institute показала, что однослойные и многослойные нанотрубки могут производить материалы, прочность которых не имеет себе равных в искусственном и естественном мире.
Углеродные нанотрубки также являются многообещающим материалом в качестве строительных блоков в иерархических композитных материалах, учитывая их исключительные механические свойства (
100 ГПа по прочности). Первоначальные попытки включить УНТ в иерархические структуры (такие как пряжа, волокна или пленки) привели к механическим свойствам, которые были значительно ниже, чем эти потенциальные пределы. Иерархическая интеграция многослойных углеродных нанотрубок и металлов / оксидов металлов в единую наноструктуру может усилить потенциал композитных углеродных нанотрубок для расщепления воды и электрокатализа. Windle et al. использовали метод формования на месте химического осаждения из паровой фазы (CVD) для производства непрерывных нитей CNT из аэрогелей, выращенных методом CVD. Нити УНТ также могут быть изготовлены путем вытягивания пучков УНТ из леса УНТ и последующего скручивания для формирования волокна (метод вытягивания-скручивания, см. Рисунок справа). Группа Windle изготовила пряжу из УНТ с прочностью до
9 ГПа при небольшой калибровочной длине
1 мм, однако сообщалось о прочности только около
1 ГПа при большей калибровочной длине 20 мм. Причина, по которой прочность волокна была низкой по сравнению с прочностью отдельных УНТ, связана с неспособностью эффективно передавать нагрузку на составляющие (прерывистые) УНТ внутри волокна. Одним из возможных путей решения этой проблемы является индуцированное облучением (или осаждением) ковалентное межслойное связывание и поперечное сшивание между УНТ для эффективного « соединения » УНТ с более высокими дозировками, ведущими к возможности образования аморфного углеродного композита из углеродных нанотрубок. волокна. Espinosa et al. разработали высокоэффективные композитные нити DWNT-полимер путем скручивания и растяжения лент из случайно ориентированных пучков DWNT, тонко покрытых полимерными органическими соединениями. Эти пряжи из DWNT-полимера показали необычно высокую энергию разрушения
Из-за высокой механической прочности углеродных нанотрубок ведутся исследования по их использованию в одежде для создания стойкой к ударам и пуленепробиваемой одежде. Нанотрубки будут эффективно препятствовать проникновению пули в тело, хотя кинетическая энергия пули, вероятно, вызовет переломы костей и внутреннее кровотечение.
Углеродные нанотрубки также позволяют сократить время обработки и повысить энергоэффективность во время отверждения композита с использованием нагревателей со структурой углеродных нанотрубок. Автоклавирование является «золотым стандартом» для отверждения композитов, однако оно требует высокой цены и вводит ограничения по размеру деталей. По оценкам исследователей, для восстановления небольшой части фюзеляжа Boeing 787 из углеродного волокна и эпоксидной смолы требуется 350 ГДж энергии и производится 80 тонн углекислого газа. Это примерно такое же количество энергии, которое девять домохозяйств потребляли бы за год. Кроме того, устранение ограничений по размеру деталей избавляет от необходимости соединять небольшие составные компоненты для создания крупномасштабных структур. Это экономит время производства и приводит к более прочным конструкциям.
Нагреватели со структурой углеродных нанотрубок перспективны для замены автоклавов и обычных печей для отверждения композитов благодаря их способности достигать высоких температур с быстрым изменением скорости при высоком электрическом КПД и механической гибкости. Эти наноструктурированные нагреватели могут иметь форму пленки и наноситься непосредственно на композит. Это приводит к кондуктивной теплопередаче в отличие от конвективной теплопередачи, используемой в автоклавах и обычных печах. Lee et. al. сообщили, что только 50% тепловой энергии, вводимой в автоклав, передается отверждаемому композиту независимо от размера детали, в то время как около 90% тепловой энергии передается в наноструктурированном пленочном нагревателе в зависимости от процесса.
Ли и др. смогли успешно отверждать композиты аэрокосмического класса, используя нагреватель CNT, сделанный путем «вдавливания домино» леса CNT в тефлоновую пленку. Затем эта пленка была уложена поверх укладки препрега из 8 слоев OOA. Теплоизоляция была сделана вокруг сборки. Затем вся установка была помещена в вакуумный мешок и нагрета от источника питания 30 В постоянного тока. Были проведены испытания на степень отверждения и механические испытания для сравнения композитов, отвержденных традиционным способом, с их установкой OOA. Результаты показали, что не было никакой разницы в качестве созданного композита. Однако количество энергии, необходимое для отверждения композита OOA, было уменьшено на два порядка с 13,7 МДж до 118,8 кДж.
Смеси
Для несущих нагрузок порошки УНТ смешиваются с полимерами или смолами-предшественниками для увеличения жесткости, прочности и ударной вязкости. Эти улучшения зависят от диаметра УНТ, соотношения сторон, выравнивания, дисперсии и межфазного взаимодействия. В предварительно смешанных смолах и маточных смесях используется содержание УНТ от 0,1 до 20 мас.%. Наноразмерное прерывистое скольжение между УНТ и контактами УНТ-полимер может увеличить демпфирование материала, улучшая качество спортивных товаров, включая теннисные ракетки, бейсбольные биты и велосипедные рамы.
Смолы CNT улучшают композитные волокна, в том числе лопасти ветряных турбин и корпуса морских судов безопасности, которые изготавливаются путем улучшения композитов из углеродного волокна смолой с добавлением CNT. УНТ используются в качестве добавок к органическим предшественникам более прочных углеродных волокон диаметром 1 мкм. УНТ влияют на расположение углерода в пиролизованном волокне.
Для решения проблемы организации УНТ в больших масштабах, иерархические волокнистые композиты создаются путем выращивания выровненных лесов на стекле, карбиде кремния (SiC), оксиде алюминия и углеродных волокнах, создавая так называемые «нечеткие» волокна. Нечеткая эпоксидная ткань УНТ-SiC и УНТ-оксид алюминия продемонстрировала улучшенную на 69% стойкость к раскрытию трещин (режим I) и / или межслойной вязкости при сдвиге в плоскости (режим II). Рассматриваемые приложения включают защиту от ударов молнии, защиту от обледенения и контроль состояния конструкций самолетов.
Buckypaper (агрегат нанотрубок) может значительно улучшить огнестойкость за счет эффективного отражения тепла.
Текстиль
Предыдущие исследования использования УНТ для функционализации текстиля были сосредоточены на прядении волокон для улучшения физических и механических свойств. В последнее время большое внимание уделяется покрытию УНТ текстильных материалов. Для модификации тканей с использованием УНТ применялись различные методы. производила интеллектуальный электронный текстиль для биомониторинга человека с использованием покрытия на основе полиэлектролита с УНТ. Кроме того, Panhuis et al. окрашенный текстильный материал путем погружения либо в раствор полимера поли (2-метоксианилин-5-сульфоновой кислоты) PMAS, либо в дисперсию PMAS-SWNT с повышенной проводимостью и емкостью с долговечными свойствами. В другом исследовании Ху и его коллеги покрыли однослойные углеродные нанотрубки простым методом «погружения и сушки» для носимой электроники и накопителей энергии. В недавнем исследовании Ли и его коллеги, используя эластомерный сепаратор, почти достигли полностью растягиваемого суперконденсатора на основе изогнутых однослойных макропленок из углеродных нанотрубок. Использовался электропряденый полиуретан, который обеспечивал хорошую механическую растяжимость, а вся ячейка обеспечивала отличную стабильность циклического заряда-разряда. УНТ имеют выровненную структуру нанотрубок и отрицательный поверхностный заряд. Следовательно, они имеют структуру, аналогичную прямым красителям, поэтому метод истощения применяется для покрытия и поглощения УНТ на поверхности волокна для изготовления многофункциональной ткани, включая антибактериальные, электропроводящие, огнестойкие и электромагнитные свойства поглощения.
Поскольку вероятность критического дефекта увеличивается с увеличением объема, пряжа может никогда не достичь прочности отдельных УНТ. Однако большая площадь поверхности CNT может обеспечить межфазное сцепление, которое смягчает эти недостатки. Нити CNT можно связать без потери прочности. Покрытие листов УНТ, вытянутых лесным способом, функциональным порошком перед укладкой крученой пряжи дает ткацкие, плетеные и сшиваемые нити, содержащие до 95 мас.% Порошка. Применяется в сверхпроводящих проводах, электродах аккумуляторных батарей и топливных элементов, а также в самоочищающемся текстиле.
Пока непрактичные волокна из ориентированных ОСНТ могут быть изготовлены путем центрифугирования суспензий УНТ на основе коагуляции. Для коммерциализации необходимы более дешевые SWNT или центрифугированные MWNT. Углеродные нанотрубки могут быть растворены в суперкислотах, таких как фтористоводородная кислота, и втянуты в волокна при сухом струйно-влажном прядении.
Композитная пряжа ДУНТ-полимер была получена путем скручивания и растяжения лент из беспорядочно ориентированных пучков ДУНТ, тонко покрытых полимерно-органическими соединениями.
Синтетические мышцы обеспечивают высокий коэффициент сокращения / разгибания при наличии электрического тока.
SWNT используется в качестве экспериментального материала для съемных структурных панелей мостов.
Пружины из углеродных нанотрубок
«Леса» растянутых, выровненных пружин MWNT могут достигать плотности энергии в 10 раз большей, чем у стальных пружин, обеспечивая долговечность при циклических нагрузках, нечувствительность к температуре, отсутствие самопроизвольного разряда и произвольную скорость разряда. Ожидается, что леса SWNT смогут хранить гораздо больше, чем MWNT.
Сплавы
Покрытия и пленки
CNT представляют собой менее дорогую альтернативу ITO для ряда потребительских устройств. Помимо стоимости гибкие прозрачные проводники CNT имеют преимущество перед хрупкими покрытиями ITO для гибких дисплеев. Проводники УНТ могут быть нанесены из раствора и сформированы такими методами, как трафаретная печать. Пленки SWNT обеспечивают 90% прозрачность и удельное сопротивление листа 100 Ом на квадрат. Такие пленки находятся в стадии разработки для тонкопленочных обогревателей, например, для размораживания окон или тротуаров.
Леса и пены углеродных нанотрубок также могут быть покрыты множеством различных материалов, чтобы изменить их функциональность и характеристики. Примеры включают покрытые кремнием УНТ для создания гибких энергоемких батарей, графеновые покрытия для создания высокоэластичных аэрогелей и покрытия из карбида кремния для создания прочного конструкционного материала для надежных трехмерных микроархитектур с высоким соотношением сторон.
Существует множество методов формирования покрытий и пленок из УНТ.
Детекторы оптической мощности
Радиолокационное поглощение
Микроэлектроника
Наконец, концепция энергонезависимой памяти на основе отдельных поперечных электромеханических переключателей УНТ была адаптирована для коммерциализации путем создания рисунка на тонких пленках из запутанных УНТ в качестве функциональных элементов. Это потребовало разработки суспензий сверхчистых УНТ, на которые можно наносить центрифугирование и обрабатывать в промышленных чистых помещениях, и поэтому они совместимы со стандартами обработки КМОП.
Транзисторы
История
Первая интегральная схема памяти на основе нанотрубок была создана в 2004 году. Одной из основных проблем было регулирование проводимости нанотрубок. В зависимости от тонких особенностей поверхности нанотрубка может действовать как простой проводник или как полупроводник. Однако был разработан полностью автоматизированный метод удаления неполупроводниковых трубок.
В 2013 году исследователи продемонстрировали полный по Тьюрингу прототип компьютера микрометрического масштаба. Транзисторы на углеродных нанотрубках как схемы с логическим затвором с плотностями, сопоставимыми с современной КМОП-технологией, еще не были продемонстрированы.
В 2015 году исследователи объявили о новом способе подключения проводов к SWNT, который позволяет продолжать сокращать ширину проводов без увеличения электрического сопротивления. Ожидается, что продвижение сократит точку контакта между двумя материалами до 40 атомов в ширину, а позже и меньше. Трубки выровнены равномерно расположенными рядами на кремниевых пластинах. Моделирование показало, что конструкции могут быть оптимизированы либо для достижения высокой производительности, либо для низкого энергопотребления. Коммерческих устройств не ожидалось до 2020-х годов.
Управление температурным режимом
Большие структуры из углеродных нанотрубок могут использоваться для управления температурой электронных схем. Слой углеродных нанотрубок толщиной примерно 1 мм использовался в качестве специального материала для изготовления охладителей, этот материал имеет очень низкую плотность, в
20 раз меньший вес, чем аналогичная медная структура, в то время как охлаждающие свойства этих двух материалов схожи.
Солнечные батареи
Одним из многообещающих применений однослойных углеродных нанотрубок (ОСНТ) является их использование в солнечных батареях из-за их сильных характеристик поглощения УФ / видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Исследования показали, что они могут значительно повысить эффективность даже в текущем неоптимизированном состоянии. Солнечные элементы, разработанные в Технологическом институте Нью-Джерси, используют комплекс углеродных нанотрубок, образованный смесью углеродных нанотрубок и углеродных бакиболов (известных как фуллерены ), чтобы сформировать змееподобные структуры. Бакиболлы захватывают электроны, но они не могут заставить электроны течь. Добавьте солнечный свет, чтобы возбудить полимеры, и бакиболлы захватят электроны. Нанотрубки, которые ведут себя как медные провода, смогут заставить электроны или ток течь.
Дополнительные исследования были проведены по созданию гибридных солнечных панелей SWNT для дальнейшего повышения эффективности. Эти гибриды создаются путем комбинирования ОСНТ с фотовозбудимыми донорами электронов для увеличения количества генерируемых электронов. Было обнаружено, что взаимодействие между фотовозбужденным порфирином и ОСНТ приводит к образованию пар дырочных электродов на поверхности ОСНТ. Это явление наблюдалось экспериментально и практически способствует увеличению КПД до 8,5%.
Нанотрубки потенциально могут заменить оксид индия и олова в солнечных элементах в качестве прозрачной проводящей пленки в солнечных элементах, позволяющей свету проходить к активным слоям и генерировать фототок.
УНТ в органических солнечных элементах помогают снизить потери энергии (рекомбинацию носителей) и повысить устойчивость к фотоокислению. Фотоэлектрические технологии могут когда-нибудь включать гетеропереходы УНТ-кремний, чтобы использовать эффективную генерацию множества экситонов на pn-переходах, сформированных внутри отдельных УНТ. В ближайшем будущем коммерческие фотоэлектрические устройства могут включать в себя прозрачные электроды из ОСНТ.
Хранение водорода
Экспериментальная емкость
Один эксперимент был направлен на определение количества водорода, хранящегося в УНТ, с помощью анализа обнаружения упругой отдачи (ERDA). УНТ (в основном ОСНТ) были синтезированы методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) и подверглись двухступенчатому процессу очистки, включая окисление на воздухе и кислотную обработку, затем были сформированы в плоские однородные диски и подвергнуты воздействию чистого водорода под давлением при различных температурах. При анализе данных было обнаружено, что способность УНТ накапливать водород снижается с увеличением температуры. Более того, максимальная измеренная концентрация водорода составляла
0,18%; значительно ниже, чем должно быть коммерчески жизнеспособное хранение водорода. Отдельная экспериментальная работа, выполненная с использованием гравиметрического метода, также показала, что максимальная способность УНТ поглощать водород составляет всего 0,2%.
Ограничения эффективной адсорбции водорода
Электронные компоненты
CNT могут действовать как антенны для радио и других электромагнитных устройств.
Провода для проведения электрического тока могут быть изготовлены из нанотрубок и композитов нанотрубка-полимер. Изготовлены малые провода с удельной проводимостью, превышающей медь и алюминий; неметаллические кабели с самой высокой проводимостью.
Межкомпонентные соединения
Гибридные межкомпонентные соединения, в которых используются переходные отверстия CNT в тандеме с медными межсоединениями, могут иметь преимущества с точки зрения надежности / терморегулирования. В 2016 году Европейский Союз профинансировал трехлетний проект стоимостью четыре миллиона евро по оценке технологичности и производительности композитных межсоединений, в которых используются как CNT, так и медные межсоединения. Проект под названием CONNECT (CarbON Nanotube compositE InterconneCTs) включает в себя совместные усилия семи европейских партнеров по исследованиям и промышленности по технологиям и процессам изготовления, которые позволят создать надежные углеродные нанотрубки для межсоединений на кристалле при производстве микрочипов ULSI.
Электрические кабели и провода
Провода для проведения электрического тока могут быть изготовлены из чистых нанотрубок и композитов нанотрубка-полимер. Уже было продемонстрировано, что провода из углеродных нанотрубок могут успешно использоваться для передачи энергии или данных. Недавно были изготовлены небольшие провода с удельной проводимостью, превышающей медь и алюминий; Эти кабели представляют собой углеродные нанотрубки с самой высокой проводимостью, а также неметаллические кабели с самой высокой проводимостью. Недавно было показано, что композит из углеродных нанотрубок и меди обладает почти в сто раз большей токонесущей способностью, чем чистая медь или золото. Примечательно, что электропроводность такого композита подобна чистой меди. Таким образом, этот композит углеродные нанотрубки-медь (CNT-Cu) обладает самой высокой наблюдаемой токонесущей способностью среди электрических проводников. Таким образом, для данного поперечного сечения электрического проводника композит CNT-Cu может выдерживать и передавать в сто раз более высокий ток по сравнению с металлами, такими как медь и золото.
Накопители энергии за CNT
Использование УНТ в качестве носителя катализатора в топливных элементах может потенциально снизить использование платины на 60% по сравнению с сажей. Легированные УНТ могут способствовать полному удалению Pt.
Суперконденсатор
Аккумуляторы
Бумажные батарейки
Химическая
Мембраны CNT могут фильтровать углекислый газ из выбросов электростанций.
УНТ могут хранить от 4,2 до 65% водорода по весу. Если их можно будет производить в серийном производстве экономично, 13,2 литра (2,9 имп гал; 3,5 галлона США) CNT могли бы содержать такое же количество энергии, как 50 литров (11 имп галлонов; 13 галлонов США) бензиновый бак.
Механический
Электрические и механические свойства УНТ позволяют предположить, что они являются альтернативой традиционным электрическим приводам.
Приводы
Исключительные электрические и механические свойства углеродных нанотрубок сделали их альтернативой традиционным электрическим приводам как для микроскопических, так и для макроскопических приложений. Углеродные нанотрубки являются очень хорошими проводниками как электричества, так и тепла, а также они являются очень прочными и эластичными молекулами в определенных направлениях.
Громкоговоритель
Оптический
Относящийся к окружающей среде
Восстановление окружающей среды
Очистка воды
Было показано, что углеродные нанотрубки проявляют сильную адсорбционную способность к широкому спектру ароматических и алифатических примесей в воде из-за их большой и гидрофобной площади поверхности. Они также показали такую же адсорбционную способность, что и активированный уголь, в присутствии природного органического вещества. В результате они были предложены в качестве перспективных адсорбентов для удаления загрязняющих веществ в системах очистки воды и сточных вод.
Более того, мембраны, сделанные из массивов углеродных нанотрубок, были предложены в качестве переключаемых молекулярных сит с функциями просеивания и проницаемости, которые можно динамически активировать / деактивировать либо распределением пор по размерам (пассивный контроль), либо внешними электростатическими полями (активный контроль).
Другие приложения
Модифицированные карбоксилом однослойные углеродные нанотрубки (так называемые зигзагообразные, кресельного типа) могут действовать как сенсоры атомов и ионов щелочных металлов Na, Li, K. В мае 2005 года Nanomix Inc. разместила на рынке сенсор водорода, который интегрированные углеродные нанотрубки на кремниевой платформе.
Использование в датчиках растягивающего напряжения или токсичных газов было предложено Цагаракисом.
Пружины из углеродных нанотрубок обладают потенциалом неограниченно сохранять упругую потенциальную энергию, в десять раз превышающую плотность литий-ионных аккумуляторов, с гибкой скоростью заряда и разряда и чрезвычайно высокой устойчивостью к циклическим нагрузкам.
Ультракороткие SWNT (УЗ-трубки) использовались в качестве наноразмерных капсул для доставки контрастных веществ для МРТ in vivo.
Инженеры Университета Уэйк-Форест используют многослойные углеродные нанотрубки для повышения яркости индуцированной полем полимерной электролюминесцентной технологии, потенциально предлагая шаг вперед в поисках безопасного, приятного и высокоэффективного освещения. В этой технологии формовочная полимерная матрица излучает свет при воздействии электрического тока. В конечном итоге это могло бы дать высокоэффективное освещение без паров ртути компактных люминесцентных ламп или голубоватого оттенка некоторых люминесцентных ламп и светодиодов, что было связано с нарушением циркадного ритма.
Candida albicans использовалась в сочетании с углеродными нанотрубками (УНТ) для производства стабильных электропроводящих бионанокомпозитных тканевых материалов, которые использовались в качестве чувствительных к температуре элементов.
Введение MWNT в полимеры может улучшить огнестойкость и замедлить термическое разложение полимера. Результаты подтвердили, что комбинация MWNT и полифосфатов аммония демонстрирует синергетический эффект для улучшения огнестойкости.