Нанотрубки и нановолокна.
Введение Анализ состояния и тенденций развития объектов наноиндустрии в настоящее время позволяет сделать вывод о том, что одной из наиболее перспективных областей нанотехнологий является синтез углеродных наноматериалов (УНМ) – фуллереноподобных структур, представляющих собой новую аллотропную форму углерода в виде замкнутых, каркасных, макромолекулярных систем. Среди этих материалов особое место занимают углеродные нанотрубки (УНТ) и нановолокна (УНВ).
История открытия нанотрубок Углеродные нанотрубки были открыты в 1991 году японским исследователем Иджимой. Первая нанотрубка была получена путём распыления графита в электрической дуге.
Понятие, свойства и строение нанотрубок Нанотрубка, иначе тубулярная наноструктура; нанотубулен (англ. nanotube) — топологическая форма наночастиц в виде полого наностержня: Углеродные нанотрубки. Нитрид-борные нанотрубки. Неуглеродная нанотрубка. Неорганические.
Углеродные нанотрубки УНТ обладают рядом уникальных свойств, обусловленных упорядоченной структурой их нанофрагментов: 1. хорошая электропроводность адсорбционные свойства. и 2. способность к холодной эмиссии электронов и аккумулированию газов. 3. диамагнитные характеристики. 4. химическая и термическая стабильность. 5. большая прочность в сочетании с высокими значениями упругой деформации.
УНТ могут состоять из двух отдельных поверхностей: первая – боковая (цилиндрическая) часть трубки, вторая – закрытый торец, по форме напоминающий половину молекулы фуллерена. а) б) в) Рис. 1. Углеродные нанотрубки: а – типа "кресло"; б – типа "зигзаг"; в – хиральная УНТ. Нанотрубки могут быть однослойные (ОУНТ), двухслойные (ДУНТ) и многослойные (МУНТ).
Многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ). Рис. 2. Модели строения МУНТ: а – "русская матрешка"; б – "рулон"; в – "папье-маше". Число слоев чаще всего составляет не больше 10, но в отдельных случаях достигает нескольких десятков.
История открытия нановолокон Одним из первых данных о получении углеродных нановолокон, вероятно, является патент от 1889 на синтез нитевидного углерода Хьюзом и Чамберсом. Они использовали смесь метана и водорода для выращивания углеродных нитей путем пиролиза газа с последующим осаждением углерода.
Понятие, свойства и строение нановолокон Углеродные нановолокна — углеродные цилиндрические наноструктуры, представляющие собой сложенные стопкой слои графена в виде конусов, «чашек» или пластин. Углеродные нановолокна (УНВ) представляют собой класс таких материалов, в которых изогнутые графеновые слои или наноконусы сложены в форме квазиодномерной нити, чья внутренняя структура может быть охарактеризована углом α между слоями графена и осью волокна.
Рис. 3. Морфологические разновидности УНТ и УНВ: а – нановолокно "столбик монет"; б – нановолокно "елочной структуры" (стопка конусов, "рыбья кость"); в – нанотрубка "стопка чашек" ("ламповые абажуры"); г – нанотрубка "русская матрешка"; д – бамбукообразное нановолокно; е – нановолокно со сферическими секциями; ж – нановолокно с полиэдрическими секциями.
Основные методы получения. Несмотря на то, что к настоящему времени уже десятки, если не сотни, научно-исследовательских организаций по всему миру располагают оборудованием для синтеза УНМ, все они используют технику, реализующую три основных способа: − дуговой; − лазерной абляции; − пиролиз углеводородов.
Дуговой способ Наиболее широко распространен метод получения УНТ, использующий термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда, горящего в атмосфере гелия (He). Рис. 4. Схема распыления графита в плазме электрической дуги (два графитовых электрода используются для создания электрического дугового разряда в инертной газовой атмосфере).
На стабильность протекания технологического процесса, а, следовательно, и качество УНМ влияет множество факторов: 1. напряжение, сила и плотность тока. 2. температура плазмы, общее давление в системе. 3. свойства и скорость подачи инертного газа. 4. размеры реакционной камеры. 5. длительность синтеза. 6. наличие и геометрия охлаждающих устройств. 7. природа и чистота материала электродов, соотношение их геометрических размеров. 8. а также ряд параметров, которым трудно дать количественную оценку, например скорость охлаждения углеродных паров, и др.
Лазерное испарение графита В 1995 г. группа Р. Смолли сообщила о синтезе УНТ лазерным испарением (абляцией). Устройство использованной установки показано на рис. 6. Рис. 6. Схема аппарата для производства УНТ способом лазерной абляции: 1 – инертный газ; 2 – печь; 3 – охлаждаемый медный коллектор; 4 – охлаждающая вода; 5 – графитовая мишень.
Пиролизу в принципе могут подвергаться любые углеродсодержащие вещества. По способу организации процессы пиролиза можно разделить на две группы: с катализатором на носителе и с летучим катализатором. Рис. 7. Схема горизонтального периодического ректора для пиролиза углеродсодержащих газов: 1 – кварцевая труба; 2 – изоляция; печь с резистивным обогревом; 3 – слой катализатора; 4 – лодочка; 5 – термопара.
Анализ литературных источников позволяет установить основные параметры, влияющие на структуру, морфологию и свойства пиролитических УНМ. Это: − состав газовой смеси; − природа каталитических систем; − температура и давление; − продолжительность процесса; − условия осуществления фазовых превращений, определяемых конструкцией реактора.
Применение Материалы, созданные на основе УНТ, могут успешно использоваться в качестве структурных модификаторов конструкционных материалов, лаки и краски, высокоэффективных адсорбентов, газораспределительных слоев топливных элементов. Широко обсуждается использование углеродных наноструктур в тонком химическом синтезе, биологии и медицине и др. Применение нановолокон: Источники электронной автоэмиссии. Композитные материалы. Материалы электродов. Устранение разливов нефти и др.
Спасибо за внимание !!! Выполнила Забагрина Г. В.
Скачать презентацию Нанотрубки и нановолокна Введение Анализ состояния и
Презентация1.pptx