§5. الخصائص الفيزيائية لأنابيب الكربون النانوية

14.10.2019

هيكل وتصنيف الأنابيب النانوية

أنابيب الكربون النانوية

أنابيب الكربون النانوية(أنابيب الكربون النانوية، CNTs) هي مركبات جزيئية تنتمي إلى فئة التعديلات المتآصلة للكربون. وهي عبارة عن هياكل أسطوانية ممتدة يبلغ قطرها من واحد إلى عدة عشرات من النانومترات وطولها من واحد إلى عدة ميكرونات.

الشكل 8. أنابيب الكربون النانوية

تتكون الأنابيب النانوية من طبقة أو أكثر ملفوفة في أنبوب، تمثل كل طبقة منها شبكة سداسية من الجرافيت (الجرافين)، أساسها سداسي مع ذرات الكربون الموجودة في رؤوس الزوايا. وفي جميع الحالات تكون المسافة بين الطبقات 0.34 نانومتر، أي نفس المسافة بين طبقات الجرافيت البلوري.

يتم إغلاق الأطراف العلوية للأنابيب بأغطية نصف كروية، وتتكون كل طبقة منها من أشكال سداسية وخماسية، تذكرنا ببنية نصف جزيء الفوليرين.

يُعتقد أن مكتشف أنابيب الكربون النانوية هو موظف في شركة NEC اليابانية، سوميو إيجيما، الذي لاحظ في عام 1991 هياكل الأنابيب النانوية متعددة الجدران أثناء دراسته تحت المجهر الإلكتروني للرواسب التي تشكلت أثناء تخليق الأشكال الجزيئية للأنابيب النانوية النقية. الكربون مع البنية الخلوية.

الأنبوب النانوي المثالي هو عبارة عن مستوى من الجرافيت ملفوف في أسطوانة، أي. سطح مبطن بأشكال سداسية منتظمة، توجد في رؤوسها ذرات الكربون.

تسمى المعلمة التي تشير إلى إحداثيات الشكل السداسي، والتي، نتيجة لطي المستوى، مع السداسي الموجود عند أصل الإحداثيات، باسم عدم تناظر الأنبوب النانوي. تحدد عدم انطباقية الأنبوب النانوي خصائصه الكهربائية.

وكما أظهرت الملاحظات التي تم إجراؤها باستخدام المجاهر الإلكترونية، فإن معظم الأنابيب النانوية تتكون من عدة طبقات من الجرافيت، إما متداخلة داخل الأخرى أو ملفوفة على محور مشترك.

الأنابيب النانوية أحادية الجدار(الأنابيب النانوية أحادية الجدار، SWNTs) – ابسط شكلالأنابيب النانوية يبلغ قطر معظمها حوالي 1 نانومتر وطولها يمكن أن يكون أكبر بآلاف المرات.

الشكل 9. نموذج للأنابيب النانوية أحادية الجدار.

وينتهي هذا الأنبوب بقمم نصف كروية تحتوي، إلى جانب الأشكال السداسية المنتظمة، على ستة أشكال خماسية منتظمة أيضًا.

إن بنية الأنابيب النانوية أحادية الجدار التي تمت ملاحظتها تجريبيا تختلف في كثير من النواحي عن الصورة المثالية المعروضة أعلاه. بادئ ذي بدء، يتعلق الأمر برؤوس الأنابيب النانوية، وشكلها، كما يلي من الملاحظات، بعيد عن نصف الكرة المثالي.

الشكل 10. نماذج مقطعية للأنابيب النانوية متعددة الجدران

تختلف الأنابيب النانوية متعددة الجدران عن الأنابيب النانوية أحادية الجدار في مجموعة واسعة من الأشكال والتكوينات، سواء في الاتجاهين الطولي أو العرضي. الأصناف الممكنةيظهر الشكل 10 التركيب العرضي للأنابيب النانوية متعددة الجدران.

إن البنية من نوع "الدمى الروسية" عبارة عن مجموعة من الأنابيب النانوية أحادية الجدار المتداخلة بشكل محوري داخل بعضها البعض. (الشكل 10 أ). آخر الهياكل الموضحة (الشكل 10 ب) يشبه التمرير. بالنسبة للهياكل المذكورة أعلاه، تكون المسافات بين طبقات الجرافيت المجاورة قريبة من 0.34 نانومتر، أي. المسافة بين المستويات المتجاورة من الجرافيت البلوري. يعتمد تنفيذ بنية معينة في موقف تجريبي محدد على ظروف تصنيع الأنابيب النانوية. 2.2 تحضير أنابيب الكربون النانوية

الطرق الأكثر شيوعًا لتصنيع الأنابيب النانوية هي طريقة القوس الكهربائي، والاستئصال بالليزر، وترسيب البخار الكيميائي (CVD).

تفريغ القوس - جوهر هذه الطريقة هو الحصول على أنابيب الكربون النانوية في بلازما التفريغ القوسي التي تحترق في جو الهيليوم في المنشآت التكنولوجية لإنتاج الفوليرين. ومع ذلك، يتم استخدام أوضاع حرق القوس الأخرى هنا: كثافات منخفضةقوس التفريغ الحالي، وأكثر من ذلك ضغط مرتفعهيليوم (~ 500 تور)، كاثودات ذات قطر أكبر. للحصول على الحد الأقصى لعدد الأنابيب النانوية، يجب أن يكون تيار القوس 65-75 أمبير، والجهد - 20-22 فولت، ودرجة حرارة بلازما الإلكترون - حوالي 4000 كلفن. في ظل هذه الظروف، يتبخر أنود الجرافيت بشكل مكثف، مما يؤدي إلى توصيل ذرات فردية أو أزواج من الكربون الذرات التي يتكون منها الكاثود أو على جدران الغرفة المبردة بالماء وأنابيب الكربون النانوية.

لزيادة إنتاجية الأنابيب النانوية في منتجات الرش، يتم إدخال محفز (خليط من معادن مجموعة الحديد) في قضيب الجرافيت، ويتم تغيير ضغط الغاز الخامل ووضع الرش.

يصل محتوى الأنابيب النانوية في راسب الكاثود إلى 60%. وتنمو الأنابيب النانوية الناتجة، والتي يصل طولها إلى 40 ميكرون، من الكاثود بشكل عمودي على سطحها ويتم دمجها في حزم أسطوانية يبلغ قطرها حوالي 50 نانومتر.

مخطط نموذجييظهر في الشكل 11 تركيب القوس الكهربائي لإنتاج المواد التي تحتوي على الأنابيب النانوية والفوليرين، بالإضافة إلى تكوينات الكربون الأخرى.

الشكل 11. مخطط التركيب لإنتاج الأنابيب النانوية باستخدام طريقة القوس الكهربائي.

تم اختراع طريقة الاستئصال بالليزر بواسطة ريتشارد سمالي وموظفين في جامعة رايس، وهي تعتمد على تبخر هدف الجرافيت في مفاعل عالي الحرارة. تظهر الأنابيب النانوية على السطح المبرد للمفاعل على شكل مكثفات تبخر الجرافيت. يمكن تضمين سطح مبرد بالماء في نظام تجميع الأنابيب النانوية. يبلغ عائد المنتج بهذه الطريقة حوالي 70٪. يتم استخدامه لإنتاج أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار بقطر يتم التحكم فيه بواسطة درجة حرارة التفاعل. ومع ذلك، التكلفة هذه الطريقةأغلى بكثير من الآخرين.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD) - تم اكتشاف طريقة الترسيب التحفيزي لبخار الكربون في عام 1959، ولكن حتى عام 1993 لم يتخيل أحد أنه يمكن الحصول على الأنابيب النانوية في هذه العملية.

الشكل 12. رسم تخطيطي لمنشأة إنتاج الأنابيب النانوية عن طريق الترسيب الكيميائي.

يتم استخدام مسحوق المعادن الدقيقة (غالبًا النيكل أو الكوبالت أو الحديد أو مجموعات منها) كمحفز، حيث يتم سكبه في بوتقة خزفية موجودة في أنبوب الكوارتز. ويتم وضع الأخير بدوره في جهاز تسخين يسمح بالحفاظ على درجة حرارة يمكن التحكم فيها في حدود 700 إلى 1000 درجة مئوية. يتم تطهير خليط من الغاز الهيدروكربوني والغاز العازل من خلال أنبوب الكوارتز. التركيبة النموذجية لخليط C 2 H 2: N 2 بنسبة 1:10. يمكن أن تستمر العملية من عدة دقائق إلى عدة ساعات. تنمو على سطح المحفز خيوط كربون طويلة وأنابيب نانوية متعددة الجدران يصل طولها إلى عدة عشرات من الميكرومترات ويبلغ قطرها الداخلي 10 نانومتر وقطرها الخارجي 100 نانومتر. ويعتمد قطر الأنابيب النانوية المزروعة بهذه الطريقة على حجم الجزيئات المعدنية.

هذه الآلية هي الطريقة التجارية الأكثر شيوعًا لإنتاج أنابيب الكربون النانوية. ومن بين الطرق الأخرى لإنتاج الأنابيب النانوية، تعتبر CVD هي الأكثر واعدة على المستوى الصناعي بسبب أفضل نسبة من حيث سعر الوحدة. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يجعل من الممكن الحصول على أنابيب نانوية موجهة عموديًا على الركيزة المطلوبة دون الحاجة إليها رسوم إضافية، وكذلك التحكم في نموها من خلال المحفز.

تنفتح آفاق واسعة لاستخدام الأنابيب النانوية في علوم المواد عندما يتم تغليف البلورات فائقة التوصيل (على سبيل المثال، TaC) داخل أنابيب الكربون النانوية. إن إمكانية الحصول على بلورات فائقة التوصيل مغلفة في أنابيب نانوية تجعل من الممكن عزلها عن التأثيرات الضارة بيئة خارجيةعلى سبيل المثال، من الأكسدة، مما يفتح الطريق أمام تطوير أكثر كفاءة لتقنيات النانو ذات الصلة.

تشير القابلية المغناطيسية السلبية الكبيرة للأنابيب النانوية إلى خصائصها المغناطيسية. من المفترض أن النفاذية المغناطيسية للأنابيب النانوية ترجع إلى تدفق تيارات الإلكترون حول محيطها. لا يعتمد حجم القابلية المغناطيسية على اتجاه العينة، والذي يرتبط ببنيتها المضطربة.

تعتمد العديد من التطبيقات التكنولوجية للأنابيب النانوية على خصائصها المتمثلة في مساحة سطحية عالية محددة (في حالة الأنابيب النانوية أحادية الجدار، حوالي 600 متر مربع لكل 1/جم)، مما يفتح إمكانية استخدامها كمادة مسامية في المرشحات، الخ.

يمكن استخدام مادة الأنابيب النانوية بنجاح كركيزة داعمة للتحفيز غير المتجانس، ويتجاوز النشاط التحفيزي للأنابيب النانوية المفتوحة بشكل كبير المعلمة المقابلة للأنابيب النانوية المغلقة.

من الممكن استخدام الأنابيب النانوية ذات المساحة السطحية العالية النوعية كأقطاب كهربائية للمكثفات الإلكتروليتية ذات الطاقة النوعية العالية. لقد أثبتت أنابيب الكربون النانوية نفسها بشكل جيد في التجارب باستخدامها كطلاء يعزز تكوين فيلم الماس.

إن خصائص الأنبوب النانوي مثل صغر حجمه، والذي يختلف بشكل كبير اعتمادًا على ظروف التوليف، والتوصيل الكهربائي، والقوة الميكانيكية والاستقرار الكيميائي، تسمح لنا باعتبار الأنبوب النانوي أساسًا للعناصر الإلكترونية الدقيقة المستقبلية.

يمكن أن تكون الأنابيب النانوية بمثابة الأساس لأدوات قياس رفيعة للغاية تستخدم لمراقبة المخالفات السطحية في الدوائر الإلكترونية.

يمكن الحصول على تطبيقات مثيرة للاهتمام بواسطة الأنابيب النانوية عند ملئها مواد متعددة. في هذه الحالة، يمكن استخدام الأنابيب النانوية كحامل للمادة التي تملأها، وكغلاف عازل يحمي هذه المادة من التلامس الكهربائي أو من التفاعل الكيميائي مع الأجسام المحيطة.

فئة أخرى من العناقيد كانت عبارة عن تكوينات كربونية أسطوانية ممدودة، والتي سُميت فيما بعد، بعد توضيح بنيتها، " أنابيب الكربون النانوية"(الأنابيب النانوية الكربونية). الأنابيب النانوية الكربونية هي جزيئات كبيرة، وأحيانًا كبيرة جدًا (أكثر من 10 6 ذرات) مبنية من ذرات الكربون.

عادي المخطط الهيكلي CNT أحادي الجدار ونتيجة حساب الكمبيوتر له المدارات الجزيئيةيظهر في الشكل. 3.1. عند رؤوس جميع الأشكال السداسية والخماسية، الموضحة كخطوط بيضاء، توجد ذرات الكربون في حالة تهجين sp 2. للتأكد من أن هيكل إطار CNT مرئي بوضوح، لا تظهر ذرات الكربون هنا. لكن ليس من الصعب تخيلها. تُظهر الدرجة الرمادية مظهر المدارات الجزيئية للسطح الجانبي للـ CNT.

الشكل 3.1

توضح النظرية أن بنية السطح الجانبي للأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار يمكن تصورها كطبقة واحدة من الجرافيت ملفوفة في أنبوب. من الواضح أنه لا يمكن لف هذه الطبقة إلا في تلك الاتجاهات التي يتم فيها تحقيق محاذاة الشبكة السداسية مع نفسها عند إغلاق السطح الأسطواني. لذلك، تحتوي الأنابيب النانوية الكربونية على مجموعة معينة فقط من الأقطار ويتم تصنيفها بواسطةناقلات تشير إلى اتجاه طي الشبكة السداسية. ذلك يعتمد على كيف مظهروالاختلافات في خصائص الأنابيب النانوية الكربونية. ثلاثة خيارات نموذجيةتظهر في الشكل 3.2.

تتداخل مجموعة أقطار CNT المحتملة يتراوحمن أقل بقليل من 1 نانومتر إلى عدة عشرات من النانومترات. أ طوليمكن أن تصل الأنابيب النانوية الكربونية إلى عشرات الميكرومترات. سِجِلّ بواسطةلقد تجاوز طول الأنابيب النانوية الكربونية بالفعل حد 1 ملم.

CNTs طويلة بما فيه الكفاية (متى طولأكبر بكثير) يمكن اعتبارها بلورة أحادية البعد. عليها يمكن تمييز "خلية الوحدة" التي تتكرر عدة مرات على طول محور الأنبوب. وينعكس ذلك في بعض خصائص أنابيب الكربون النانوية الطويلة.

اعتمادًا على المتجه المتراكم لطبقة الجرافيت (يقول الخبراء: "من مراوغة") يمكن أن تكون الأنابيب النانوية موصلات وأشباه موصلات على حدٍ سواء. تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية ذات البنية "السرجية" دائمًا بموصلية كهربائية "معدنية" عالية إلى حد ما.

أرز. 3.2

قد تكون "الأغطية" التي تغلق الأنابيب النانوية الكربونية في الأطراف مختلفة أيضًا. لديهم شكل "نصفين" من الفوليرينات المختلفة. وتظهر خياراتهم الرئيسية في الشكل. 3.3.

أرز. 3.3 الخيارات الرئيسية لـ "أغطية" الأنابيب النانوية الكربونية ذات الجدار الواحد

هناك أيضا الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران. بعضها يشبه طبقة من الجرافيت ملفوفة في لفافة. لكن معظمها يتكون من أنابيب أحادية الطبقة يتم إدخالها في بعضها البعض، ومترابطة بواسطة قوى فان دير فالس. لو الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجداريتم تغطيتها دائمًا تقريبًا بالأغطية الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدرانكما أنها مفتوحة جزئيًا. عادةً ما تظهر عليها عيوب هيكلية صغيرة أكثر من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار. لذلك، بالنسبة للتطبيقات في مجال الإلكترونيات، لا تزال الأفضلية تعطى للأخيرة.

لا تنمو الأنابيب النانوية الكربونية بشكل مستقيم فحسب، بل تنمو أيضًا بشكل منحني، وتنحني لتشكل "ركبة"، بل وتلتف بالكامل على شكل طارة. في كثير من الأحيان، ترتبط العديد من الأنابيب النانوية الكربونية ببعضها البعض بشكل وثيق وتشكل "حزمًا".

المواد المستخدمة في صناعة الأنابيب النانوية

لقد اتبع تطوير طرق تصنيع أنابيب الكربون النانوية (CNTs) مسار خفض درجات حرارة التوليف. بعد إنشاء تقنية إنتاج الفوليرين، تم اكتشاف أنه أثناء تبخر القوس الكهربائي لأقطاب الجرافيت، إلى جانب تكوين الفوليرين، يتم تشكيل هياكل أسطوانية ممتدة. كان عالم المجهر سوميو إيجيما، باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، أول من حدد هذه الهياكل على أنها أنابيب نانوية. تتضمن طرق درجات الحرارة المرتفعة لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية طريقة القوس الكهربائي. إذا قمت بتبخير قضيب الجرافيت (الأنود) في قوس كهربائي، فسيتم تشكيل تراكم (ترسب) من الكربون الصلب على القطب المقابل (الكاثود)، والذي يحتوي قلبه الناعم على أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران بقطر 15- 20 نانومتر وطول أكثر من 1 ميكرومتر.

تمت ملاحظة تكوين الأنابيب النانوية الكربونية من سناج الفوليرين تحت تأثير حراري عالي الحرارة على السخام لأول مرة من قبل مجموعات أكسفورد والسويسرية. إن عملية تركيب القوس الكهربائي كثيفة الاستخدام للمعادن وتستهلك الطاقة، ولكنها عالمية لإنتاج أنواع مختلفة من المواد النانوية الكربونية. هناك مشكلة كبيرة تتمثل في عملية عدم التوازن أثناء الاحتراق القوسي. استبدلت طريقة القوس الكهربائي في وقت واحد طريقة التبخر بالليزر (الاستئصال) بشعاع الليزر. وحدة الاجتثاث عبارة عن فرن تسخين مقاوم تقليدي ينتج درجة حرارة تبلغ 1200 درجة مئوية. وللحصول على درجات حرارة أعلى فيه يكفي وضع هدف كربون في الفرن وتوجيهه نحوه. شعاع الليزر، بالتناوب مسح كامل سطح الهدف. وهكذا، حصلت مجموعة سمالي، باستخدام تركيبات باهظة الثمن مع ليزر قصير النبض، على أنابيب نانوية في عام 1995، مما أدى إلى "تبسيط" تكنولوجيا تصنيعها بشكل كبير.

ومع ذلك، ظل إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية منخفضًا. إن إدخال إضافات صغيرة من النيكل والكوبالت (0.5٪.٪) إلى الجرافيت جعل من الممكن زيادة إنتاجية CNT إلى 70-90٪. ومنذ تلك اللحظة بدأت مرحلة جديدة في فهم آلية تكوين الأنابيب النانوية. وأصبح من الواضح أن المعدن كان حافزا للنمو. هكذا ظهرت الأعمال الأولى حول إنتاج الأنابيب النانوية بطريقة درجات الحرارة المنخفضة - طريقة الانحلال الحراري الحفزي للهيدروكربونات (CVD)، حيث تم استخدام جزيئات معدنية من مجموعة الحديد كمحفز. أحد خيارات التركيب لإنتاج الأنابيب النانوية والألياف النانوية بطريقة CVD هو مفاعل يتم تزويده بغاز حامل خامل، يحمل المحفز والهيدروكربون إلى منطقة ذات درجة حرارة عالية.

بطريقة مبسطة، آلية نمو الأنابيب النانوية الكربونية هي كما يلي. يذوب الكربون المتكون أثناء التحلل الحراري للهيدروكربونات في الجسيمات النانوية المعدنية. عند الوصول تركيز عاليالكربون في الجسيم، على أحد وجوه جسيم المحفز، يحدث "إطلاق" مواتٍ للطاقة للكربون الزائد في شكل غطاء شبه فوليرين مشوه. هذه هي الطريقة التي يولد بها الأنبوب النانوي. يستمر الكربون المتحلل في الدخول إلى جسيم المحفز، ومن أجل تصريف تركيزه الزائد في المصهور، من الضروري التخلص منه باستمرار. ويحمل نصف الكرة الصاعد (شبه الفوليرين) من سطح المنصهر معه الكربون الزائد المذاب، والذي تتشكل ذراته خارج المنصهر اتصال S-Sوهو عبارة عن إطار أسطواني من الأنابيب النانوية.

تعتمد درجة حرارة انصهار الجسيم في الحالة النانوية على نصف قطره. كلما كان نصف القطر أصغر، انخفضت درجة حرارة الانصهار، وذلك بسبب تأثير جيبس-تومسون. ولذلك، فإن جسيمات الحديد النانوية التي يبلغ حجمها حوالي 10 نانومتر تكون في حالة منصهرة عند درجة حرارة أقل من 600 درجة مئوية. في الوقت الحالي، تم إجراء تخليق الأنابيب النانوية الكربونية في درجات حرارة منخفضة باستخدام الانحلال الحراري الحفزي للأسيتيلين في وجود جزيئات الحديد عند 550 درجة مئوية. خفض درجة حرارة التوليف لديه أيضا عواقب سلبية. مع المزيد درجات الحرارة المنخفضةيتم الحصول على الأنابيب النانوية الكربونية ذات القطر الكبير (حوالي 100 نانومتر) والبنية المعيبة للغاية مثل "الخيزران" أو "الخلايا النانوية المتداخلة". تتكون المواد الناتجة من الكربون فقط، لكنها لا تقترب حتى من الخصائص الاستثنائية (على سبيل المثال، معامل يونج) التي لوحظت في أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار التي تم الحصول عليها عن طريق الاستئصال بالليزر أو تخليق القوس الكهربائي.

تصنيف

يعتمد التصنيف الرئيسي للأنابيب النانوية على عدد الطبقات التي تتكون منها.

الأنابيب النانوية أحادية الجدار(الأنابيب النانوية أحادية الجدار، SNWTs) هي أبسط أنواع الأنابيب النانوية. يبلغ قطر معظمها حوالي 1 نانومتر وطولها يمكن أن يكون أكبر بآلاف المرات. يمكن تصور بنية الأنابيب النانوية أحادية الجدار على أنها "تغلف" شبكة سداسية من الجرافيت (الجرافين)، أساسها أشكال سداسية تحتوي على ذرات الكربون الموجودة عند رؤوس الزوايا، في أسطوانة غير ملحومة. يتم إغلاق الأطراف العلوية للأنابيب بأغطية نصف كروية، وتتكون كل طبقة منها من أشكال سداسية وخماسية، تذكرنا ببنية نصف جزيء الفوليرين.

الصورة 1. صورة بيانيةالأنابيب النانوية أحادية الجدار

الأنابيب النانوية متعددة الجدران(الأنابيب النانوية متعددة الجدران، MWNTs) تتكون من عدة طبقات من الجرافين مطوية على شكل أنبوب. المسافة بين الطبقات هي 0.34 نانومتر، أي نفس المسافة بين طبقات الجرافيت البلوري.

هناك نموذجان يستخدمان لوصف بنيتها. يمكن أن تكون الأنابيب النانوية متعددة الجدران عبارة عن عدة أنابيب نانوية أحادية الجدار متداخلة داخل بعضها البعض (ما يسمى "ماتريوشكا"). وفي حالة أخرى، تلتف "ورقة" واحدة من الجرافين حول نفسها عدة مرات، على غرار تمرير الرق أو الصحيفة (نموذج "الرق").

الشكل 2. التمثيل البياني للأنابيب النانوية متعددة الجدران (نموذج ماتريوشكا)

طرق التوليف

تفريغ القوس —جوهر هذه الطريقة هو الحصول على أنابيب الكربون النانوية في بلازما التفريغ القوسي التي تحترق في جو الهيليوم في المنشآت التكنولوجية لإنتاج الفوليرين. ومع ذلك، يتم استخدام أوضاع احتراق القوس الأخرى هنا: كثافات تيار تفريغ القوس المنخفضة، وضغط الهيليوم العالي (~ 500 تور)، وكاثودات ذات قطر أكبر.

يصل محتوى الأنابيب النانوية في راسب الكاثود إلى 60%. وتنمو الأنابيب النانوية الناتجة، التي يصل طولها إلى 40 ميكرون، من الكاثود بشكل عمودي على سطحها ويتم دمجها في حزم أسطوانية يبلغ قطرها حوالي 50 كيلومترًا.

الاستئصال بالليزر

اخترع هذه الطريقة ريتشارد سمالي ومعاونوه في جامعة رايس، وهي تعتمد على تبخر هدف الجرافيت في مفاعل عالي الحرارة. تظهر الأنابيب النانوية على السطح المبرد للمفاعل على شكل مكثفات تبخر الجرافيت. يمكن تضمين سطح مبرد بالماء في نظام تجميع الأنابيب النانوية.

يبلغ عائد المنتج بهذه الطريقة حوالي 70٪. يتم استخدامه لإنتاج أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار بقطر يتم التحكم فيه بواسطة درجة حرارة التفاعل. ومع ذلك، فإن تكلفة هذه الطريقة أغلى بكثير من غيرها.

ترسيب البخار الكيميائي (CVD)

تم اكتشاف طريقة ترسيب بخار الكربون التحفيزي في عام 1959، ولكن حتى عام 1993 لم يتخيل أحد أنه يمكن الحصول على الأنابيب النانوية من هذه العملية.

في عملية هذه الطريقة، يتم تحضير الركيزة بطبقة من المحفز - جزيئات معدنية (في أغلب الأحيان النيكل أو الكوبالت أو الحديد أو مجموعات منها). ويعتمد قطر الأنابيب النانوية المزروعة بهذه الطريقة على حجم الجزيئات المعدنية.

يتم تسخين الركيزة إلى حوالي 700 درجة مئوية. لبدء نمو الأنابيب النانوية، يتم إدخال نوعين من الغازات إلى المفاعل: غاز المعالجة (على سبيل المثال، الأمونيا والنيتروجين والهيدروجين، وما إلى ذلك) والغاز المحتوي على الكربون (الأسيتيلين والإيثيلين والإيثانول والميثان وما إلى ذلك). تبدأ الأنابيب النانوية في النمو على مناطق المحفزات المعدنية.

هذه الآلية هي الطريقة التجارية الأكثر شيوعًا لإنتاج أنابيب الكربون النانوية. ومن بين الطرق الأخرى لإنتاج الأنابيب النانوية، تعتبر CVD هي الأكثر واعدة على المستوى الصناعي بسبب أفضل نسبة من حيث سعر الوحدة. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يجعل من الممكن الحصول على أنابيب نانوية موجهة عموديًا على الركيزة المطلوبة دون تجميع إضافي، وكذلك التحكم في نموها من خلال محفز.

مجالات الاستخدام

تتشكل أنابيب الكربون النانوية مع الفوليرين وهياكل الكربون المسامية صف جديدالمواد النانوية الكربونية، أو الهياكل الهيكلية الكربونية، ذات خصائص تختلف بشكل كبير عن الأشكال الأخرى من الكربون، مثل الجرافيت والماس. ومع ذلك، فإن أكثرها واعدة هي الأنابيب النانوية.

هل أنت مهتم بمجال المواد النانوية؟ ثم قد تكون مهتمة

وغيرها من الهياكل المماثلة التي يمكن تسميتها مصطلح عام هياكل إطار الكربون. ما هذا؟

الهياكل الهيكلية للكربون هي جزيئات كبيرة (وأحيانًا عملاقة!) مصنوعة بالكامل من ذرات الكربون. يمكن للمرء أن يقول حتى أن هياكل إطار الكربون هي شكل جديد من الكربون المتآصل (بالإضافة إلى الأشكال المعروفة منذ زمن طويل: الماس والجرافيت). السمة الرئيسية لهذه الجزيئات هي شكلها الهيكلي: فهي تبدو وكأنها "أصداف" مغلقة وفارغة من الداخل. أشهر الهياكل الهيكلية الكربونية هو C 60 الفوليرين، والذي أدى اكتشافه غير المتوقع على الإطلاق في عام 1985 إلى طفرة في الأبحاث في هذا المجال (تم منح جائزة نوبل في الكيمياء لعام 1996 لمكتشفي الفوليرين روبرت كيرل وهارولد كروتو) وريتشارد سمالي). في أواخر الثمانينات وأوائل التسعينات، بعد تطوير تقنية لإنتاج الفوليرين بكميات مجهرية، تم اكتشاف العديد من الفوليرينات الأخف والأثقل على حد سواء: بدءًا من C 20 (أدنى حد ممكن من الفوليرين) وحتى C 70، C 82، ج96 فما فوق.

ومع ذلك، فإن تنوع هياكل إطار الكربون لا ينتهي عند هذا الحد. وفي عام 1991، وبشكل غير متوقع تمامًا، تم اكتشاف تكوينات كربونية طويلة أسطوانية تسمى الأنابيب النانوية. بصريًا، يمكن تخيل بنية هذه الأنابيب النانوية على النحو التالي: نأخذ مستوى من الجرافيت، ونقطع شريطًا منه ونلصقه في أسطوانة (تحذير: مثل هذا الطي لمستوى الجرافيت هو مجرد وسيلة لتخيل الهيكل من الأنابيب النانوية؛ في الواقع، الأنابيب النانوية تنمو بطريقة مختلفة تماما). يبدو أن الأمر أبسط - تأخذ طائرة من الجرافيت وتدحرجها على شكل أسطوانة! - ومع ذلك، قبل الاكتشاف التجريبي للأنابيب النانوية، لم يتوقعها أي من المنظرين! لذلك لم يكن أمام العلماء سوى دراستها - والمفاجأة!

وكان هناك الكثير من الأشياء المدهشة. أولاً، تنوع الأشكال: يمكن أن تكون الأنابيب النانوية كبيرة وصغيرة، وحيدة الجدار، ومتعددة الطبقات، ومستقيمة، وحلزونية. ثانيًا، على الرغم من هشاشتها الواضحة وحتى دقتها، فقد تبين أن الأنابيب النانوية مادة قوية للغاية، سواء في الشد أو الانحناء. علاوة على ذلك، تحت تأثير الضغوط الميكانيكية التي تتجاوز الضغوط الحرجة، تتصرف الأنابيب النانوية أيضًا بشكل مفرط: فهي لا "تتمزق" أو "تتكسر"، ولكنها ببساطة تعيد ترتيب نفسها! علاوة على ذلك، تُظهر الأنابيب النانوية مجموعة كاملة من الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والبصرية غير المتوقعة. على سبيل المثال، اعتمادًا على نمط الطي المحدد لمستوى الجرافيت، يمكن أن تكون الأنابيب النانوية موصلات وأشباه موصلات على حدٍ سواء! يمكن لأي مادة أخرى بهذه البساطة التركيب الكيميائيتتباهى على الأقل ببعض الخصائص التي تمتلكها الأنابيب النانوية؟!

وأخيرا، فإن تنوع التطبيقات التي تم اختراعها بالفعل للأنابيب النانوية ملفت للنظر. أول ما يقترح نفسه هو استخدام الأنابيب النانوية كقضبان وخيوط مجهرية قوية جدًا. كما تظهر نتائج التجارب والنمذجة العددية، فإن معامل يونغ للأنابيب النانوية أحادية الجدار يصل إلى قيم تتراوح بين 1-5 طن باسكال، وهو أمر أكبر من الفولاذ! صحيح أن الحد الأقصى لطول الأنابيب النانوية حاليًا هو عشرات ومئات الميكرونات - وهو بالطبع كبير جدًا على المقياس الذري، ولكنه قصير جدًا للاستخدام اليومي. ومع ذلك، فإن طول الأنابيب النانوية المنتجة في المختبر يتزايد تدريجياً - والآن اقترب العلماء بالفعل من علامة المليمتر: انظر العمل [Z. Pan et al, 1998]، الذي يصف تصنيع أنبوب نانوي متعدد الجدران بطول 2 مم. لذلك، هناك كل الأسباب التي تجعلنا نأمل أن يتعلم العلماء في المستقبل القريب زراعة الأنابيب النانوية بطول سنتيمترات وحتى أمتار! وبطبيعة الحال، سيؤثر هذا بشكل كبير على التقنيات المستقبلية: ففي نهاية المطاف، فإن "الكابل" الذي يبلغ سمكه سمك شعرة الإنسان، القادر على حمل حمولة تصل إلى مئات الكيلوجرامات، سوف يجد تطبيقات لا حصر لها.

مثال آخر حيث يكون الأنبوب النانوي جزءًا من جهاز مادي هو عندما يتم "تركيبه" على طرف مجهر المسح النفقي أو مجهر القوة الذرية. عادةً ما تكون هذه الحافة عبارة عن إبرة تنجستن حادة، ولكن وفقًا للمعايير الذرية، لا يزال هذا الشحذ خشنًا للغاية. الأنبوب النانوي عبارة عن إبرة مثالية يبلغ قطرها عدة ذرات. من خلال تطبيق جهد معين، من الممكن التقاط الذرات والجزيئات بأكملها الموجودة على الركيزة مباشرة تحت الإبرة ونقلها من مكان إلى آخر.

إن الخصائص الكهربائية غير العادية للأنابيب النانوية ستجعل منها واحدة من المواد الرئيسية للإلكترونيات النانوية. لقد تم بالفعل إنشاء نماذج أولية لترانزستورات التأثير الميداني المعتمدة على أنبوب نانوي واحد: من خلال تطبيق جهد حجب يبلغ عدة فولتات، تعلم العلماء تغيير موصلية الأنابيب النانوية أحادية الجدار بمقدار 5 أوامر أسية!

تطبيق آخر في الإلكترونيات النانوية هو إنشاء هياكل متغايرة لأشباه الموصلات، أي. الهياكل المعدنية/أشباه الموصلات أو تقاطع اثنين من أشباه الموصلات المختلفة. الآن، لإنتاج مثل هذا الهيكل المتغاير، لن يكون من الضروري زراعة مادتين منفصلتين ثم "لحامهما" معًا. كل ما هو مطلوب هو إحداث خلل بنيوي فيه أثناء نمو الأنبوب النانوي (أي استبدال أحد أشكال سداسيات الكربون بمضلع خماسي). ومن ثم سيكون أحد أجزاء الأنبوب النانوي معدنيًا والآخر شبه موصل!

وقد تم بالفعل تطوير العديد من تطبيقات الأنابيب النانوية في صناعة الكمبيوتر. على سبيل المثال، تم إنشاء واختبار نماذج أولية لشاشات عرض مسطحة رفيعة تعمل على مصفوفة من الأنابيب النانوية. تحت تأثير الجهد الكهربي المطبق على أحد طرفي الأنبوب النانوي، تبدأ الإلكترونات في الانبعاث من الطرف الآخر، والتي تسقط على الشاشة الفوسفورية وتتسبب في توهج البكسل. ستكون حبيبات الصورة الناتجة صغيرة بشكل خيالي: في حدود ميكرون!

باستخدام نفس المجهر الذري، من الممكن تسجيل وقراءة المعلومات من مصفوفة تتكون من ذرات تيتانيوم تقع على ركيزة -Al 2 O 3. وقد تم أيضًا تنفيذ هذه الفكرة تجريبيًا: حيث بلغت كثافة تسجيل المعلومات المحققة 250 جيجابت/سم2. ومع ذلك، في كلا المثالين، لا يزال التطبيق الشامل بعيدًا - فمثل هذه الابتكارات عالية التقنية باهظة الثمن. ولذلك فإن من أهم المهام هنا هو تطوير طريقة رخيصة لتنفيذ هذه الأفكار.

وقد جذبت الفراغات الموجودة داخل الأنابيب النانوية (والهياكل الهيكلية الكربونية بشكل عام) انتباه العلماء أيضًا. في الواقع، ماذا سيحدث إذا تم وضع ذرة من مادة ما داخل الفوليرين؟ أظهرت التجارب أن إقحام (أي إدخال) ذرات المعادن المختلفة يغير الخواص الكهربائية للفوليرين ويمكنه حتى تحويل العازل إلى موصل فائق! هل من الممكن تغيير خصائص الأنابيب النانوية بنفس الطريقة؟ اتضح نعم. في [K.Hirahara et al, 2000]، تمكن العلماء من وضع سلسلة كاملة من الفوليرينات مع ذرات الجادولينيوم داخل الأنابيب النانوية بالفعل! كانت الخصائص الكهربائية لمثل هذا الهيكل غير العادي مختلفة تمامًا عن خصائص الأنابيب النانوية البسيطة المجوفة وخصائص الأنابيب النانوية التي تحتوي على الفوليرينات الفارغة بداخلها. لقد اتضح أن إلكترون التكافؤ، الذي توفره ذرة المعدن الموجودة تحت تصرف الجميع، يعني الكثير! بالمناسبة، من المثير للاهتمام ملاحظة أنه تم تطوير تسميات كيميائية خاصة لمثل هذه المركبات. الهيكل الموصوف أعلاه مكتوب بـ Gd@C 60 @SWNT، وهو ما يعني "Gd داخل C 60 داخل أنبوب نانوي أحادي الجدار".

فمن الممكن ليس فقط "دفع" الذرات والجزيئات بشكل فردي إلى الأنابيب النانوية، ولكن أيضًا "صب" المادة حرفيًا. وكما أظهرت التجارب، فإن الأنبوب النانوي المفتوح له خصائص شعرية، أي أنه يبدو أنه يجذب المادة إلى داخله. وبالتالي، يمكن استخدام الأنابيب النانوية كحاويات مجهرية للنقل الكيميائي أو البيولوجي المواد الفعالة: البروتينات والغازات السامة ومكونات الوقود وحتى المعادن المنصهرة. بمجرد دخولها إلى الأنابيب النانوية، لا يمكن للذرات أو الجزيئات الخروج بعد ذلك: يتم "إغلاق" نهايات الأنابيب النانوية بشكل آمن، وتكون حلقة الكربون العطرية ضيقة جدًا بالنسبة لمعظم الذرات. في هذا الشكل، يمكن نقل الذرات أو الجزيئات النشطة بأمان. بمجرد وصول الأنابيب النانوية إلى وجهتها، تُفتح من أحد طرفيها (وتصبح عمليات "اللحام" و"فك اللحام" لأطراف الأنابيب النانوية ممكنة تمامًا باستخدام التكنولوجيا الحديثة) وتطلق محتوياتها بجرعات محددة بدقة. هذا ليس خيالًا علميًا، إذ يتم بالفعل إجراء تجارب من هذا النوع في العديد من المختبرات حول العالم. ومن الممكن أنه خلال 10-20 سنة، سيتم علاج الأمراض على أساس هذه التكنولوجيا: على سبيل المثال، يتم حقن أنابيب نانوية معدة مسبقًا تحتوي على إنزيمات نشطة جدًا في دم المريض، ويتم جمع هذه الأنابيب النانوية في مكان معين في الجسم بواسطة بعض الآليات المجهرية ويتم "فتحها" في وقت معين. التقنية الحديثةشبه جاهز للتنفيذ..

الطاقة صناعة مهمة تلعب دورًا كبيرًا في حياة الإنسان. يعتمد وضع الطاقة في البلاد على عمل العديد من العلماء في هذه الصناعة. اليوم يبحثون عن هذه الأغراض، وهم على استعداد لاستخدام أي شيء، ابتداءً من ذلك ضوء الشمسوالماء، وينتهي بالطاقة الهوائية. تلك المعدات القادرة على توليد الطاقة منها بيئة، هو محل تقدير كبير.

معلومات عامة

الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن طائرات جرافيت طويلة ملفوفة ذات شكل أسطواني. وكقاعدة عامة، يصل سمكها إلى عدة عشرات من النانومترات، ويبلغ طولها عدة سنتيمترات. وفي نهاية الأنابيب النانوية يتكون رأس كروي، وهو أحد أجزاء الفوليرين.

هناك نوعان من أنابيب الكربون النانوية: المعدنية وأشباه الموصلات. الفرق الرئيسي بينهما هو الموصلية الحالية. النوع الأول يمكنه إجراء التيار عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، والثاني - فقط عند درجات حرارة مرتفعة.

أنابيب الكربون النانوية: الخصائص

ترتبط معظم المجالات الحديثة، مثل الكيمياء التطبيقية أو تكنولوجيا النانو، بالأنابيب النانوية، التي لها هيكل إطار كربوني. ما هو؟ يشير هذا الهيكل إلى جزيئات كبيرة متصلة ببعضها البعض فقط بواسطة ذرات الكربون. تحظى الأنابيب النانوية الكربونية، التي تعتمد خصائصها على غلاف مغلق، بتقدير كبير. بالإضافة إلى ذلك، هذه التشكيلات لها شكل أسطواني. ويمكن الحصول على مثل هذه الأنابيب عن طريق لف لوح من الجرافيت، أو تنميتها من محفز محدد. تحتوي الأنابيب النانوية الكربونية، التي تظهر صورها أدناه، على بنية غير عادية.

هم أشكال مختلفةوالأحجام: طبقة واحدة ومتعددة الطبقات، مستقيمة ومنحنية. على الرغم من أن الأنابيب النانوية تبدو هشة للغاية، إلا أنها مادة قوية. ونتيجة للعديد من الدراسات تبين أن لها خصائص مثل التمدد والانحناء. تحت تأثير الأحمال الميكانيكية الخطيرة، لا تمزق العناصر ولا تنكسر، أي أنها يمكن أن تتكيف مع الفولتية المختلفة.

تسمم

ونتيجة لدراسات متعددة، تبين أن أنابيب الكربون النانوية يمكن أن تسبب نفس المشاكل التي تسببها ألياف الأسبستوس، أي حدوث أورام خبيثة مختلفة، وكذلك سرطان الرئة. درجة التأثير السلبييعتمد الأسبستوس على نوع وسمك أليافه. وبما أن أنابيب الكربون النانوية صغيرة الوزن والحجم، فإنها تدخل بسهولة إلى جسم الإنسان مع الهواء. بعد ذلك، يدخلون غشاء الجنب ويدخلون الصدر، ومع مرور الوقت يسببون مضاعفات مختلفة. أجرى العلماء تجربة وأضافوا جزيئات الأنابيب النانوية إلى طعام الفئران. المنتجات ذات القطر الصغير لم تبقى عمليا في الجسم، لكن المنتجات الأكبر حجما تحفر في جدران المعدة وتسبب أمراضا مختلفة.

طرق الاستلام

اليوم هناك الطرق التاليةالحصول على أنابيب الكربون النانوية: الشحن القوسي، الاجتثاث، ترسيب البخار.

تفريغ القوس الكهربائي. التحضير (تم وصف أنابيب الكربون النانوية في هذه المقالة) في البلازما الشحنة الكهربائيةالذي يحترق باستخدام الهيليوم. يمكن تنفيذ هذه العملية باستخدام معدات تقنية خاصة لإنتاج الفوليرين. لكن هذه الطريقة تستخدم أوضاع حرق القوس الأخرى. على سبيل المثال، يتم تقليله، كما يتم استخدام كاثودات ذات سماكة هائلة. لخلق جو من الهيليوم، من الضروري زيادة ضغط هذا العنصر الكيميائي. يتم إنتاج أنابيب الكربون النانوية عن طريق الرش. من أجل زيادة عددهم، من الضروري إدخال محفز في قضيب الجرافيت. في أغلب الأحيان هو خليط مجموعات مختلفةمعدن بعد ذلك، يتم تغيير طريقة الضغط والرش. وبالتالي، يتم الحصول على رواسب الكاثود، حيث يتم تشكيل أنابيب الكربون النانوية. تنمو المنتجات النهائية بشكل عمودي على الكاثود ويتم تجميعها في حزم. يبلغ طولها 40 ميكرون.

استئصال. اخترع هذه الطريقة ريتشارد سمالي. جوهرها هو تبخير أسطح الجرافيت المختلفة في مفاعل يعمل عند درجات حرارة عالية. وتتكون الأنابيب النانوية الكربونية عن طريق تبخر الجرافيت في قاع المفاعل.

يتم تبريدها وجمعها باستخدام سطح التبريد. إذا كان عدد العناصر في الحالة الأولى يساوي 60٪، فباستخدام هذه الطريقة زاد الرقم بنسبة 10٪. تكلفة طريقة التذويب بالليزر أغلى من جميع الطرق الأخرى. وكقاعدة عامة، يتم الحصول على الأنابيب النانوية أحادية الجدار عن طريق تغيير درجة حرارة التفاعل.

ترسب بخاري. تم اختراع طريقة ترسيب بخار الكربون في أواخر الخمسينيات. لكن لم يتخيل أحد حتى أنه يمكن استخدامه لإنتاج أنابيب الكربون النانوية. لذا، عليك أولاً تحضير السطح باستخدام المحفز. يمكن أن تكون جزيئات صغيرة من معادن مختلفة، على سبيل المثال، الكوبالت والنيكل وغيرها الكثير. تبدأ الأنابيب النانوية في الظهور من طبقة المحفز. يعتمد سمكها بشكل مباشر على حجم المعدن الحفاز. يتم تسخين السطح إلى درجات حرارة عالية، ومن ثم يتم توفير غاز يحتوي على الكربون. من بينها الميثان والأسيتيلين والإيثانول وما إلى ذلك. تعمل الأمونيا كغاز تقني إضافي. هذه الطريقةالحصول على الأنابيب النانوية هو الأكثر شيوعاً. تتم العملية نفسها في مختلف المؤسسات الصناعية، بسبب إنفاق موارد مالية أقل على الإنتاج كمية كبيرةأنابيب ميزة أخرى لهذه الطريقة هي أنه يمكن الحصول على العناصر الرأسية من أي جزيئات معدنية تعمل كمحفز. أصبح الإنتاج (وصف أنابيب الكربون النانوية من جميع الجوانب) ممكنًا بفضل بحث Suomi Iijima، الذي لاحظ ظهورها تحت المجهر نتيجة لتخليق الكربون.

أنواع رئيسية

يتم تصنيف عناصر الكربون حسب عدد الطبقات. أبسط نوع هو أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار. يبلغ سمك كل منها حوالي 1 نانومتر، ويمكن أن يكون طولها أكبر من ذلك بكثير. إذا نظرنا إلى الهيكل، فإن المنتج يبدو وكأنه تغليف الجرافيت باستخدام شبكة سداسية. في قممها توجد ذرات الكربون. وبالتالي، فإن الأنبوب له شكل أسطوانة، وليس له طبقات. الجزء العلوي من الأجهزة مغلق بأغطية تتكون من جزيئات الفوليرين.

النوع التالي هو أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران. وهي تتكون من عدة طبقات من الجرافيت، والتي يتم طيها على شكل أسطوانة. يتم الحفاظ على مسافة 0.34 نانومتر بينهما. يتم وصف هذا النوع من الهيكل بطريقتين. وفقا للأول، فإن الأنابيب متعددة الطبقات عبارة عن عدة أنابيب أحادية الطبقة متداخلة داخل بعضها البعض، والتي تبدو وكأنها دمية التعشيش. ووفقا للثاني، فإن الأنابيب النانوية متعددة الجدران هي عبارة عن ورقة من الجرافيت تلتف حول نفسها عدة مرات، على غرار صحيفة مطوية.

أنابيب الكربون النانوية: التطبيق

تعتبر العناصر ممثلًا جديدًا تمامًا لفئة المواد النانوية.

كما ذكرنا سابقًا، لديهم هيكل إطار يختلف في خصائصه عن الجرافيت أو الماس. هذا هو السبب في أنها تستخدم في كثير من الأحيان أكثر من المواد الأخرى.

نظرًا لخصائصها مثل القوة والانحناء والموصلية، يتم استخدامها في العديد من المجالات:

كمضافات للبوليمرات.
محفز لأجهزة الإضاءة، وكذلك شاشات العرض المسطحة والأنابيب في شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية؛
كممتص للموجات الكهرومغناطيسية.
لتحويل الطاقة.
إنتاج الأنودات في أنواع مختلفةالبطاريات؛
تخزين الهيدروجين؛
تصنيع أجهزة الاستشعار والمكثفات.
إنتاج المواد المركبة وتعزيز بنيتها وخصائصها.

لسنوات عديدة، تم استخدام أنابيب الكربون النانوية، التي لا تقتصر تطبيقاتها على صناعة معينة بحث علمي. هذه المواد لديها مواقف ضعيفةفي السوق، حيث أن هناك مشاكل في الإنتاج على نطاق واسع. مرة اخرى نقطة مهمةهي التكلفة العالية لأنابيب الكربون النانوية، والتي تبلغ حوالي 120 دولارًا للجرام الواحد من هذه المادة.

يتم استخدامها كعنصر أساسي في إنتاج العديد من المواد المركبة، والتي تستخدم في صناعة العديد من السلع الرياضية. صناعة أخرى هي صناعة السيارات. إن تفعيل أنابيب الكربون النانوية في هذا المجال يعود إلى نقل الخصائص الموصلة للبوليمرات.

إن معامل التوصيل الحراري للأنابيب النانوية مرتفع جدًا، لذا يمكن استخدامها كجهاز تبريد لمختلف المعدات الضخمة. كما أنها تستخدم أيضًا في صنع النصائح المرفقة بأنابيب المسبار.

مجال التطبيق الأكثر أهمية هو تكنولوجيا الكمبيوتر. بفضل الأنابيب النانوية، يتم إنشاء شاشات العرض المسطحة بشكل خاص. باستخدامها، يمكنك تقليل الأبعاد الإجمالية للكمبيوتر نفسه بشكل كبير، وكذلك زيادة أدائه الفني. ستكون المعدات النهائية متفوقة عدة مرات على التقنيات الحالية. وبناء على هذه الدراسات يمكن إنشاء أنابيب صور ذات جهد عالي.

وبمرور الوقت، سيتم استخدام الأنابيب ليس فقط في مجال الإلكترونيات، ولكن أيضًا في المجالات الطبية والطاقة.

إنتاج

أما أنابيب الكربون، التي ينقسم إنتاجها بين نوعين، فهي موزعة بشكل غير متساو.

وهذا يعني أن MWNTs يتم إنتاجها أكثر بكثير من SWNTs. أما النوع الثاني فيتم في حالة الحاجة الملحة. تنتج شركات مختلفة باستمرار أنابيب الكربون النانوية. لكنهم ليسوا في الطلب عمليا، لأن تكلفتهم مرتفعة للغاية.

قادة الإنتاج

اليوم، تحتل الدول الآسيوية المكانة الرائدة في إنتاج أنابيب الكربون النانوية، وهي أعلى بثلاث مرات من الدول الأخرى في أوروبا وأمريكا. على وجه الخصوص، تعمل اليابان في إنتاج MWNTs. لكن الدول الأخرى، مثل كوريا والصين، ليست أقل شأنا بأي حال من الأحوال في هذا المؤشر.

الإنتاج في روسيا

يتخلف الإنتاج المحلي لأنابيب الكربون النانوية بشكل كبير عن الدول الأخرى. في الواقع، كل هذا يتوقف على جودة الأبحاث التي يتم إجراؤها في هذا المجال. لا توجد موارد مالية كافية هنا لإنشاء مراكز علمية وتكنولوجية في البلاد. كثير من الناس لا يتقبلون التطورات في تكنولوجيا النانو لأنهم لا يعرفون كيف يمكن استخدامها في الصناعة. ولذلك فإن انتقال الاقتصاد إلى طريق جديدإنه أمر صعب للغاية.

ولذلك أصدر رئيس روسيا مرسوما يوضح مسارات التنمية مناطق مختلفةتكنولوجيا النانو، بما في ذلك عناصر الكربون. ولهذه الأغراض، تم إنشاء برنامج خاص للتطوير والتكنولوجيا.

لضمان تنفيذ جميع نقاط الطلب، تم إنشاء شركة "Rusnanotech". وقد تم تخصيص مبلغ كبير من ميزانية الدولة لتشغيله. هي التي يجب أن تتحكم في عملية التطوير والإنتاج والتنفيذ الصناعي لأنابيب الكربون النانوية. سيتم إنفاق المبلغ المخصص على إنشاء معاهد ومختبرات بحثية مختلفة، كما سيعزز العمل الحالي للعلماء المحليين. سيتم استخدام هذه الأموال أيضًا لشراء معدات عالية الجودة لإنتاج أنابيب الكربون النانوية. ومن الجدير أيضًا الاهتمام بتلك الأجهزة التي من شأنها حماية صحة الإنسان، لأن هذه المادة تسبب العديد من الأمراض.

كما ذكرنا سابقًا، المشكلة برمتها تكمن في جمع الأموال. معظم المستثمرين لا يرغبون في الاستثمار في التطورات العلمية، وخاصة في منذ وقت طويل. يرغب جميع رجال الأعمال في رؤية الأرباح، لكن تطوير النانو قد يستغرق سنوات. وهذا ما يصد ممثلي الشركات الصغيرة والمتوسطة. بالإضافة إلى ذلك، بدون الاستثمار الحكومي، لن يكون من الممكن إطلاق إنتاج المواد النانوية بشكل كامل.

وهناك مشكلة أخرى تتمثل في عدم وجود إطار قانوني، حيث لا توجد صلة وسيطة بين المستويات المختلفة للأعمال. لذلك، فإن أنابيب الكربون النانوية، التي لا يوجد طلب على إنتاجها في روسيا، لا تتطلب استثمارات مالية فحسب، بل تتطلب أيضًا استثمارات عقلية. حتى الآن، لا يزال الاتحاد الروسي بعيدًا عن الدول الآسيوية الرائدة في تطوير تقنيات النانو.

واليوم، يتم تنفيذ التطورات في هذه الصناعة في كليات الكيمياء في جامعات مختلفة في موسكو وتامبوف وسانت بطرسبرغ ونوفوسيبيرسك وكازان. المنتجون الرئيسيون لأنابيب الكربون النانوية هم شركة Granat ومصنع تامبوف كومسوموليتس.

الجوانب الإيجابية والسلبية

ومن بين المزايا الخصائص الخاصة لأنابيب الكربون النانوية. إنها مادة متينة تحت تأثير التأثيرات الميكانيكيةلا ينهار. بالإضافة إلى ذلك، فهي تعمل بشكل جيد في الانحناء والتمدد. وقد أصبح هذا ممكنا بفضل هيكل الإطار المغلق. ولا يقتصر استخدامها على صناعة واحدة. وقد وجدت الأنابيب تطبيقًا في صناعة السيارات والإلكترونيات والطب والطاقة.

عيب كبير هو التأثير السلبيعلى صحة الإنسان.

دخول جزيئات الأنابيب النانوية إلى جسم الإنسان يؤدي إلى ظهور الأورام الخبيثة والسرطان.

الجانب الأساسي هو تمويل هذه الصناعة. كثير من الناس لا يرغبون في الاستثمار في العلوم، لأن الأمر يستغرق الكثير من الوقت لتحقيق الربح. وبدون عمل مختبرات الأبحاث، فإن تطوير تكنولوجيا النانو أمر مستحيل.

خاتمة

تلعب أنابيب الكربون النانوية دور مهمالخامس التقنيات المبتكرة. ويتوقع العديد من الخبراء نمو هذه الصناعة في السنوات المقبلة. وستكون هناك زيادة كبيرة في القدرات الإنتاجية، مما سيؤدي إلى انخفاض تكلفة البضائع. ومع انخفاض الأسعار، سيكون هناك طلب كبير على الأنابيب وستصبح مادة لا غنى عنها للعديد من الأجهزة والمعدات.

لذلك، اكتشفنا ما هي هذه المنتجات.