ДРУГИЕ ВИДЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
В 1990 г. была создана относительно простая и эффективная технология получения фуллеренов в макроскопических количествах. В процессе дугового разряда с графитовыми электродами происходит.
термическое распыление графита, который затем конденсируется. Конденсат, содержащий кроме сажи 10 - 20% фуллеренов, помещают в органический растворитель (бензол, толуол), где фуллерен, в отличие от сажи, довольно хорошо растворяется. Затем фуллерены выделяют из раствора методом перегонки.
Рис. 4.2. Основные виды молекул фуллеренов.
Одно из перспективных направлений физикохимии фуллеренов связано с возможностью внедрения внутрь полой или сфероидальной молекулы одного или нескольких атомов и созданием таким образом нового класса композиционных материалов - нанокомпозитов [12].
В науке появилось новое направление - углеродные наноматериалы. Первоначально к ним относили только шарообразные молекулы фуллеренов, затем появились и новые разработки, в ходе которых получены интересные результаты при использовании синергетики процессов создания КМ - процесс спонтанного образования и развития сложных упорядоченных структур [13-15].
Результатом перечисленных исследований явились углеродные нанотрубки каркасной формы - однослойные, многослойные и спиральные (рис. 4. 3).
Рис. 4.3. Примеры углеродных нанотрубок: а, 6- прямые; в - спиральные
Несмотря на ажурность структуры, они обладают высокими прочностными характеристиками (например, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1 - 5 ГПа) и под действием механических напряжений, превышающих критические, не рвутся и не ломаются, а перестраиваются. Эффект, приближающий нас к КМ.
Параллельно с нанотрубками получены и углеродные нановолокна, которые представляют собой пряжу из сверхтонких мономолекулялных углеродных волокон диаметром менее
Таблица 4.1
Характеристика
Изотропное.
пековое.
волокно
Мезофазное.
пековое.
волокно
ПАН-.
волокно
Г азовое волокно
Углеродное.
нано.
волокно
Плотность, г/см
1,57
1,81
1,9
2,0
2,1
Предел прочности на разрыв, МПА
600
2400
3000
4000
12 000
Модуль.
упругости, ГПа
30
690
560
300
600-700
В последние годы наблюдается переход от стадии разработок сверхвысокопрочных углеродных нановолокон в научных лабораториях к промышленной практике.
Диаметр углеродных нанотрубок и нановолокон варьируется в пределах 0,4 — 500 нм, длина может быть от одного до нескольких десятков мкм. Существует способ синтеза длинных углеродных нановолокон, длина которых может достигать нескольких десятков сантиметров [16].
Необычные электрические свойства нанотрубок и нановолокон делают их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки. Прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков.
Еще одно направление в наноэлектронике - создание композиционных полупроводниковых гетероструктур, т.е. структур типа металл/полупроводник или стык двух разных полупроводников. Теперь для изготовления такой гетероструктуры не надо будет выращивать отдельно два материала и затем «сваривать» их друг с другом. Все, что требуется, - это в процессе роста нанотрубки создать в ней структурный дефект (т.е. заменить один из углеродных шестиугольников пятиугольником). Тогда одна часть нанотрубки будет металлической, а другая -полупроводником.
Разработано уже и несколько вариантов применения нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из композитных углеродных нанотрубок с внедренными металлическими атомами. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение. Получающееся при этом зерно изображения фантастически мало, порядка микрона.
Одно из перспективных направлений физикохимии фуллеренов связано с возможностью внедрения внутрь полой или сфероидальной молекулы одного или нескольких атомов (in situ) и конфайнмента (удержания в структуре) в пределах материального объекта и создания, таким образом, нового класса композиционных материалов - нанокомпозитов. Такие явления, встречающие в природе, известны как клатраты, соединения включения, например, внедрения молекул газа в структуру воды (пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды). Такие газовые гидраты напоминают спрессованный снег. Их удобно хранить и транспортировать. Наиболее перспективным и экологически чистым является соединение водород - кислород (табл. 4.2).
Таблица 4.2. Основные характеристики жидких ракетных топлив
Окислитель
Г орючие
Плотность,.
кг/м
Удельный.
импульс,.
м/с
Удельная.
теплота.
сгорания,.
кДж/кг
азотная кислота
керосин
1400
2900
6100
жидкий кислород
керосин
1036
3283
9200
жидкий кислород
жидкий водород
345
4164
13 400
жидкий кислород
диметилгидразин
1000
3381
9200
жидкий фтор
гидразин
1312
4275
9350
Однако существует большая проблема использования водорода из-за низких температурах (-253 °С) в жидком состоянии. Это требует сложной теплозащиты и процесса заправки топливом.
Наноструктуры на углеродной основе могут служить супергубками для водорода в топливных элементах средств передвижения.
На основе нанотрубок возможно создание аккумуляторов водорода как топлива для двигателей [17, 18].
Число нанометрических объектов, в том числе на основе углерода, постоянно растет. В настоящее время исследователей привлекла новая наноразмерная частица - нанографит. Нанографиты имеют размеры
Освоен синтез наноалмазов, объем годового производства которых исчисляется тонами в год. Показано, что алмаз является наиболее устойчивым соединением углерода при размерах частиц не более 4 — 5 нм [20]. Синтез наноалмазов осуществляется взрывом при достижении давления от 16 до 23 ГПа и температуре свыше 3000 К с последующим быстрым охлаждением кристаллов алмаза [21].