Використання нанотрубок. TUBALL - революційні вуглецеві нанотрубки для шинної промисловості

Вуглецеві нанотрубки створюють нову галузь промисловості та матеріалознавства

Речовини категорії «нано», тобто з частинками менше 100 нм, сьогодні представлені технічним вуглецем (сажа) та кремнегелем («біла сажа»). Обсяги виробництва інших наноматеріалів не можна порівняти нижче. Але зараз ситуація змінюється, на ринок вийшли вуглецеві нанотрубки. Вуглецеві нанотрубки- це протяжні циліндричні структури, що складаються з однієї або декількох згорнутих в трубку гексагональних (геометрично схожих на бджолині стільники) графітових площин

Вуглецеві мікротрубки були запатентовані в кінці XIX століття, а нанотрубки вперше отримані в московському Інституті фізичної хімії в 1950-х роках, потім в Японії в 1970-х і, нарешті, відкриті в Японії в 1991 році. З того часу інтерес до трубок неухильно зростав.

За набором корисних властивостей у нанотрубок немає аналогів

Зв'язок атомів вуглецю один з одним у нанотрубках має рекордну міцність. Модуль Юнга (величина розмірності тиску, що характеризує опір речовини розтягуванню або стиску) нанотрубок більше 1 ТПа (близько 1 млн атмосфер – вище, ніж у алмазу). Теплопровідність нанотрубок у вісім разів вища, ніж у міді, а електропровідність не підпорядковується закону Ома. Щільність струму в трубках може в тисячу разів перевищувати щільність, коли мідний провід вибухає.

Світове виробництво нанотрубок перевищило 1000 тонн на рік. Використання матеріалів з вуглецевих нанотрубок або вуглецевих нанотрубок, що містять, стало новим сектором економіки, який не був порушений світовою фінансовою кризою.

Загальносвітова потреба в нанотрубках у 2010 році оцінена у 10 тисяч тонн. Їх виготовляє понад 40 компаній. Німецька Bayer планує до 2012 року розширити виробничі потужності до 3 000 т/р, французька Arkema має завод з річною продуктивністю 400 т, китайська. CNano - 500 т/р, а бельгійська Nanocyl - 400 т/р. До 500 т/г збільшує виробництво вуглецевих нановолокон японська Showa Denko .

Наноструктуровані матеріали поділяються на великі групи. Матеріали однієї на 95-100% складаються з нанотрубок. Матеріали другий – нанокомпозити – навпаки, нанотрубок містять небагато, до 5%.

Матеріали з нанотрубок

Форма нанотрубок дозволяє укладати їх подвійно: хаотично або впорядковано, що впливає на властивості матеріалів. Нанотрубки можна модифікувати, приєднувати до них різні хімічні групи та наночастинки. Це також змінює властивості самих нанотрубок і матеріалів з них.

До матеріалів першої групи відносяться "монолітні" структури з нанотрубок; покриття, плівки та нанопапір із трубок; волокна із трубок; «ліс» - нанотрубки, розташовані паралельно один до одного і перпендикулярно до підкладки. «Монолітні» матеріали не набули широкого поширення.

Зі сплутаних довгих нанотрубок виділено «гума», стійка до руйнування при циклічних навантаженнях і температурах від -140 до +900 оС. Її показники далеко перевершують силіконову гуму, яку вважають найкращим в'язкоеластичним матеріалом.

Покриття, плівки і нанопапер отримують або в ході синтезу трубок, або з їх дисперсій (колоїдних розчинів). Перша група методів – високотемпературна, друга нагрівання не вимагає. Найпростіший макроматеріал із трубок – нанопапір – має товщину 10–30 нм і виробляється фільтрацією дисперсій.

Компанія Nanocomp Technologies (США) продає листи нанопаперу площею близько 3 м2 та планує створити виробництво потужністю 4–6 т/р. Реалізовано методи отримання рулонів нанопаперу.

З нанопаперу роблять фільтри (у тому числі для видалення вірусів або знесолення води), захист від електромагнітного випромінювання, деталі нагрівачів, сенсори, актюатори, польові емітери, електроди електрохімічних пристроїв, носії каталізаторів та ін.

Прозорі електропровідні плівки та покриття конкурують з твердим розчином оксидів індію та олова та здатні замінювати цей дорогий та крихкий матеріал у приладах електроніки, сенсорики та фотовольтаїки.

Американська компанія Eikos розробила та з 2005 року постачає склад Invisicon ink для нанесення на підкладки тонких плівок із нанотрубок.

Волокна з вуглецевих нанотрубок здавалися ідеальним матеріалом троса космічного ліфта для економічного підйому вантажів на навколоземну орбіту. Однак перенесення властивостей нанотрубок на макроматеріали виявилося далеко не простим завданням.

Волокна отримують у різний спосіб. "Сухі" способи включають формування з аерогелю, що утворюється в процесі піролізу вуглеводнів, і прядіння з "лісу".

Технологія витягування та скручування волокон з аерогелю - «м'якого диму» - розроблена в Кембриджському університеті . У реакційну зону з високою температурою подають вуглеводень, з якого утворюється аерогель (тобто гель, у якому рідка фаза повністю замінена газоподібною). З нього, як за старих часів з куделі, прядуть волокно. В Ізраїлі у 2010 році створено компанію для виготовлення бронежилетів та захисних покриттів із гібридних композитів, що містять кембриджські нанотрубки.

Прядіння з лісу нагадує отримання шовкових ниток з коконів шовкопряда.

Розчинні способи отримання волокон - екструзія дисперсій у потік рідини або витягування з колоїдних розчинів у суперкислотах (кислотах сильніше сірчаної).

Компанія Nanocomp Technologies оголосила про постачання міцних волокон завдовжки до 10 км, виготовлення яких використовують довгі нанотрубки. Викручені нитки мають міцність 3 ГПа і за деякими показниками вже перевершують кевлар.

«Ліс» за набором властивостей не має аналогів – це пружний, електро- та теплопровідний матеріал, здатний набувати різних форм і піддаватися модифікації. У 2004 році було описано високопродуктивний процес суперросту «лісу»: отримання дуже чистих вуглецевих нанотрубок довжиною до 15–18 мм, який значно знижує їх собівартість.

У Японії готується пуск виробництва, що базується на процесі суперросту. Потужність його всього 600 г/год одношарових нанотрубок, але незабаром планують довести до 10 т/г.

Ліс можна використовувати для створення електродів суперконденсаторів, польових емітерів і сонячних батарей, як компонент композитів на основі полімерів. Укладанням «лісу» на поверхню підкладки отримано щільні стрічки. За питомою електропровідністю вони можуть перевершити метали та знайдуть застосування в авіакосмічній галузі.

Стрічки для штучних м'язів з паралельно розташованих нанотрубок діють при температурах від 80 до 1900 К і при застосуванні електричного потенціалу забезпечують дуже високе подовження. Такі перетворювачі електрики в механічну енергію значно ефективніші за п'єзокристали.

Матеріали з домішкою нанотрубок

Різко зростає виробництво матеріалів другої групи - нанокомпозитів, головним чином полімерних

Введення навіть невеликих кількостей вуглецевих нанотрубок помітно змінює властивості полімерів, надає електропровідності, підвищує теплопровідність, покращує механічні характеристики, хімічну та термічну стійкість. Створено нанокомпозити на основі десятків різних полімерів, розроблено багато способів їх одержання.

Широке застосування можуть знайти створені на основі полімерів з нанотрубками композитні волокна.

Практично всі вироблені компанією Bayer Нанотрубки використовують для композитів із полімерів. Компанія Arkema постачає свої нанотрубки для композитів з термопластів, а Nanocyl - для термозбіжних полімерів та препрегів з вуглецевими волокнами (препреги - композитні матеріали-напівфабрикати для подальшої обробки).

Американська компанія Hyperion Catalysis Int. , піонер промислового виробництва нанотрубок, випускає концентрати для введення в епоксидну смолу та полімери.

Типи нанотрубок

Керамічні композити створені на основі багатьох тугоплавких речовин, проте за промисловим освоєнням помітно поступаються нанокомпозитам на основі полімерів. Як і у випадку полімерів, добавки невеликих кількостей нанотрубок збільшують електро- та теплопровідність, надають здатність захищати від електромагнітного випромінювання, а головне – збільшують тріщиностійкість керамік.

Введення дуже малих кількостей нанотрубок у бетон підвищує його марку, тріщиностійкість, міцність та зменшує усадку.

Металеві композити створені з поширеними кольоровими металами та сплавами. Найбільша увага приділяється мідним композитам, механічні властивості яких у два-три рази вищі, ніж у міді. Багато складів мають підвищену міцність та твердість, менші коефіцієнти термічного розширення та тертя.

Гібридні композити зазвичай містять три компоненти: полімерні або неорганічні волокна (тканини), нанотрубки та сполучна. До цього класу відносяться препреги .

На виробництві препрегів з нанотрубками спеціалізується американська компанія Zyvex Performace Materials . Нанотрубки збільшують міцність і жорсткість препрегів на 30-50%. Препреги використані для створення безпілотних морських розвідувальних катерів «Пірання» .

У США в 2009 році полетів перший літак для повітряної акробатики з обтічником двигуна з композиту з нанотрубками. Деякі елементи планера літака F-35 компанії Martin Lockheed виготовлені з таких композитів, приблизно 100 деталей пасажирського планера Boeing 787 передбачається робити із застосуванням нанотрубок.

Компанія Nanocyl виробляє епоксидну смолу з трубками. Epocyl і препреги Pregcyl на основі скловолокон, вуглецевих чи арамідних волокон. Добавки підвищують тріщиностійкість на 100%, міжшарову міцність зсув на 15% і зменшують коефіцієнт термічного розширення. Передбачається використовувати композити в автомобільній та авіаційній промисловості, для бронежилетів. Вони знижують масу 49-метрових лопатей вітроустановок з 7,3 до 5,8 т.

Фінська компанія Amroy Europe Oy , використовуючи нанотрубки виробництва Bayer , випускає епоксидний концентрат Hybtonite для морських суден, вітрогенераторів, спортивного інвентарю та ін.

Для препрег канадська Nanoledge використовує трубки компанії Bayer , а Nanocomp Technologies випускає великі за площею листи та рулони нанопаперу.

Гібридні композити можуть виявляти властивості сенсора ушкоджень.

З різними матрицями створені також біокомпозити. Досліджуються матеріали для кісткових імплантатів, плівки для вирощування м'язових та кісткових тканин, сітківки та епітеліальних клітин ока, мереж нейронів, а також біофункціональні композити та біосенсори.

Приклади не вичерпують всієї різноманітності та властивостей матеріалів з нанотрубками. Їхні галузі застосування розширюються, вони починають визначати рівень розвитку наноструктурного матеріалознавства, загальний стан науки і техніки окремих країн.

Едуард Раков, доктор хімічних наук, завідувач кафедри нанотехнології та наноматеріалів РХТУ ім. Д.І. Менделєєва

Одностінні нанотрубки

Структураодностінних нанотрубок, що спостерігаються експериментально, багато в чому відрізняється від представленої вище ідеалізованої картини. Насамперед це стосується вершин нанотрубки, форма яких, як випливає зі спостережень, далека від ідеальної напівсфери.

Особливе місце серед одностінних нанотрубок займають так звані armchair-нанотрубки або нанотрубки з хіральністю (10, 10). У нанотрубках такого типу дві із С-З зв'язків, що входять до складу кожного шестичленного кільця, орієнтовані паралельно до поздовжньої осі трубки. Нанотрубки з подібною структурою повинні мати суто металеву структуру.

Багатостінні нанотрубки

Багатостінні(multi-walled) нанотрубки відрізняються від одностінних значно ширшою різноманітністю форм та конфігурацій. Розмаїття структур проявляється як у поздовжньому, і у поперечному напрямі.

Структура типу «російської матрьошки» (russian dolls) є сукупністю коаксіально вкладених один в одного циліндричних трубок. Інший різновид цієї структури є сукупністю вкладених один одного коаксіальних призм. Нарешті, остання з наведених структур нагадує сувій (scroll). Для всіх структур характерне значення відстані між сусідніми графітовими шарами, близьке до величини 0,34 нм, притаманною відстані між сусідніми площинами кристалічного графіту.

Реалізація тієї чи іншої структури багатостінних нанотрубок у конкретній експериментальній ситуації залежить від умов синтезу. Аналіз наявних експериментальних даних показує, що найбільш типовою структурою багатостінних нанотрубок є структура з поперемінно розташованими по довжині ділянками типу «російської матрьошки» та «пап'є-маше». При цьому трубки меншого розміру послідовно вкладені в трубки більшого розміру.

Отримання вуглецевих нанотрубок

Розвитокметодів синтезу вуглецевих нанотрубок (УНТ) йшло шляхом зниження температур синтезу. Після створення технології отримання фулеренів було виявлено, що при електродуговому випаровуванні графітових електродів поряд з утворенням фулеренів утворюються протяжні циліндричні структури. Мікроскопіст Суміо Ііджіма, використовуючи електронний мікроскоп (ПЕМ), що просвічує, першим ідентифікував ці структури, як нанотрубки. До високотемпературних методів одержання УНТ належать електродуговий метод. Якщо випарувати графітовий стрижень (анод) в електричній дузі, то на протилежному електроді (катоді) утворюється жорсткий вуглецевий наріст (депозит) в м'якій серцевині якого містяться багатостінні УНТ з діаметром 15-20 нм і довжиною понад 1 мкм. Формування УНТ із фулеренової сажі при високотемпературному тепловому впливі на сажу вперше спостерігали Оксфордська та Швейцарська група. Установка для електродугового синтезу металомістка, енерговитратна, але універсальна для одержання різних типів вуглецевих наноматеріалів. При цьому суттєвою проблемою є нерівноважність процесу при горінні дуги. Електродуговий метод у свій час прийшов на зміну методу лазерного випаровування (абляції) променем лазера. Установка для абляції є звичайною піч з резистивним нагріванням, що дає температуру 1200С. Щоб отримати в ній більш високі температури, достатньо помістити в піч мішень з вуглецю і направити на неї лазерний промінь, поперемінно скануючи всю поверхню мішені.

Т.о. група Смоллі, використовуючи дорогі установки з короткоімпульсним лазером, отримала в 1995 р. нанотрубки, значно спростивши технологію їх синтезу. Проте вихід УНТ залишався низьким. Введення у графіт невеликих добавок нікелю та кобальту дозволило збільшити вихід УНТ до 70-90%. З цього моменту розпочався новий етап уявлення про механізм утворення нанотрубок. Стало очевидним, що метал є каталізатором зростання. Так з'явилися перші роботи з одержання нанотрубок низькотемпературним методом - методом каталітичного піролізу вуглеводнів (CVD), де як каталізатор використовувалися частинки металу групи заліза. Один з варіанів установки з отримання нанотрубок і нановолокон CVD методом являє собою реактор, який подається інертний газ-носій, каталізатор і вуглеводень, що відносить, в зону високих температур. Спрощено механізм зростання УНТ ось у чому. Вуглець, що утворюється при термічному розкладанні вуглеводню, розчиняється у наночастинці металу.

При досягненні високої концентрації вуглецю в частинці на одній із граней частинки-каталізатора відбувається енергетично вигідне "виділення" надлишкового вуглецю у вигляді перекрученої напівфулеренової шапочки. Так зароджується нанотрубка. Вуглець, що розклався, продовжує надходити в частинку каталізатора, і для скидання надлишку його концентрації в розплаві потрібно постійно позбавлятися від нього. Півсфера, що піднімається (напівфулерен) з поверхні розплаву, захоплює за собою розчинений надлишковий вуглець, атоми якого поза розплавом утворюють зв'язок С-С являє собою циліндричний каркас-нанотрубку. Температура плавлення частки у нанорозмірному стані залежить від її радіусу. Чим менший радіус, тим нижча температура плавлення. Тому наночастинки заліза з розміром близько 10 нм знаходяться в розплавленому стані нижче 600С. На даний момент здійснено низькотемпературний синтез УНТ методом каталітичного піролізу ацетилену у присутності частинок Fe при 550С. Зниження температури синтезу має негативні наслідки. При більш низьких температурах виходять УНТ з більшим діаметром (близько 100 нм) та сильно дефектною структурою типу "бамбук" або вкладені наноконуси. Отримані матеріали складаються тільки з вуглецю, але до екстраординарних характеристик (наприклад, модуль Юнга) спостерігаються у одностінних вуглецевих нанотрубок, одержуваних методом лазерної абляції або електродуговим синтезом, вони навіть близько не наближаються.

Третій стан вуглецю (крім алмазу та графіту) – революційно завойовує світ нових технологій.
Ось витяг з кількох статей (з посиланнями на них).

http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/news/Physics/135.html
Багато з перспективних напрямів у матеріалознавстві, нанотехнології, наноелектроніці, прикладній хімії пов'язуються останнім часом з фулеренами, нанотрубками та іншими схожими структурами, які можна назвати загальним терміном каркасні структури вуглецю. Що це таке?
Каркасні вуглецеві структури - це великі (а іноді і гігантські!) молекули, що складаються виключно з атомів вуглецю. Можна навіть говорити, що каркасні структури вуглецю - це нова алотропна форма вуглецю (на додаток до давно відомих: алмазу і графіту). Головна особливість цих молекул - це їхня каркасна форма: вони виглядають як замкнуті, порожні всередині "оболонки".
Зрештою, вражає різноманітність застосувань, які вже вигадані для нанотрубок. Перше, що напрошується само собою, це застосування нанотрубок як дуже міцні мікроскопічні стрижні та нитки. Як показують результати експериментів та чисельного моделювання, модуль Юнга одношарової нанотрубки досягає величин близько 1-5 ТПа, що на порядок більше, ніж у сталі! Правда, в даний час максимальна довжина нанотрубок становить десятки і сотні мікронів - що, звичайно, дуже велике за атомними масштабами, але замало для повсякденного використання. Однак довжина нанотрубок, одержуваних у лабораторії, поступово збільшується - зараз вчені вже впритул підійшли до міліметрового рубежу: див. роботу, де описано синтез багатошарової нанотрубки завдовжки 2 мм. Тому є всі підстави сподіватися, що незабаром вчені навчаться вирощувати нанотрубки завдовжки сантиметри і навіть метри! Безумовно, це сильно вплине на майбутні технології: адже "трос" завтовшки з людське волосся, здатний утримувати вантаж у сотні кілограм, знайде собі безліч застосувань.
Незвичайні електричні властивості нанотрубок зроблять їх одним із основних матеріалів наноелектроніки. Вже зараз створені досвідчені зразки польових транзисторів на основі однієї нанотрубки: прикладаючи напругу кількох вольт, що замикає, вчені навчилися змінювати провідність одношарових нанотрубок на 5 порядків!
Розроблено вже й кілька застосувань нанотрубок у комп'ютерній промисловості. Наприклад, створені та випробувані прототипи тонких плоских дисплеїв, що працюють на матриці з нанотрубок. Під дією напруги, що прикладається до одного з кінців нанотрубки, з іншого кінця починають випускатися електрони, які потрапляють на фосфоресціюючий екран і викликають свічення пікселя. Зображення, що виходить при цьому, буде фантастично малим: порядку мікрону!

http://brd.dorms.spbu.ru/nanotech/print.php?sid=44
Спроба сфотографувати нанотрубки за допомогою звичайного фотоапарата зі спалахом призвела до того, що блок нанотрубок при світлі спалаху видав гучну бавовну і, яскраво спалахнувши, вибухнув.
Приголомшені вчені стверджують, що несподівано відкритий феномен "вибухонебезпечності" трубок може знайти для цього матеріалу нові, абсолютно несподівані застосування - аж до використання як детонатори для підриву боєзарядів. А також, очевидно, поставить під сумнів чи ускладнить їхнє використання в окремих областях.

http://www.sciteclibrary.com/ukr/catalog/pages/2654.html
Відкривається перспектива для значного продовження ресурсу батарейок, що перезаряджаються.

http://vivovoco.nns.ru/VV/JOURNAL/VRAN/SESSION/NANO1.HTM
Вуглецеві нанотрубні структури – новий матеріал для емісійної електроніки.

http://www.gazetangn.narod.ru/archive/ngn0221/space.html
Ще в 1996 р було виявлено, що окремі вуглецеві нанотрубки можуть мимовільно звиватися в канатики з 100 - 500 волокон-трубочок, причому міцність цих канатиків виявилася більшою, ніж у алмазу. Точніше кажучи, вони в 10-12 разів міцніше і в 6 разів стали легшими. Ви тільки уявіть: нитка діаметром в 1 міліметр могла б витримати 20-тонний вантаж, у сотні мільярдів разів більший за її власну вагу! Ось із таких-то ниточок і можна отримати надміцні троси великої довжини. З так само легких і міцних матеріалів можна будувати і каркас ліфта - гігантську вежу заввишки три діаметра Землі. Нею і підуть на величезній швидкості пасажирські та вантажні кабіни - завдяки надпровідним магнітам, які знову ж таки будуть підвішені на канатах з вуглецевих нанотрубок. Колосальний вантажопотік у космос дозволить розпочати активне освоєння інших планет.
Якщо когось зацікавив цей проект, подробиці (російською мовою), можна переглянути, наприклад, на сайті http://private.peterlink.ru/geogod/space/future.htm. Тільки там немає жодного слова про вуглецеві трубки.
А на http://www.eunet.lv/library/win/KLARK/fontany.txt можна почитати роман Артура Кларка "Фонтани раю", який сам він вважав своїм найкращим твором.

http://www.inauka.ru/science/28-08-01/article4805
За оцінками фахівців, нанотехнології дозволять вже до 2007 року створити мікропроцесори, які будуть містити близько 1 мільярда транзисторів та зможуть працювати на частоті до 20 гігагерц при напрузі живлення менше 1 вольта.

Нанотрубковий транзистор
Створено перший транзистор, що складається цілком із вуглецевих нанотрубок. Тим самим відкривається перспектива заміни звичних кремнієвих чіпів більш швидкими, дешевшими та меншими за розміром компонентами.
Перший у світі нанотрубковий транзистор є нанотрубкою Y-подібної форми, яка веде себе подібно до звичного транзистора - потенціал, прикладений до однієї з «ніжок», дозволяє керувати проходженням струму між двома іншими. При цьому вольт-амперна характеристика нанотрубкового транзистора практично ідеальна: струм або тече, або ні.

http://www.pool.kiev.ua/clients/poolhome.nsf/0/a95ad844a57c1236c2256bc6003dfba8?OpenDocument
Згідно матеріалів статті, опублікованої 20 травня в науковому журналі Applied Physics Letters, фахівці IBM удосконалили транзистори на вуглецевих нанотрубках. В результаті експериментів з різними молекулярними структурами дослідники змогли досягти високої на сьогоднішній момент провідності для транзисторів на вуглецевих нанотрубках. Що провідність, то швидше працює транзистор і більше потужні інтегральні схеми можна побудувати з його основі. Крім того, дослідники виявили, що провідність транзисторів на вуглецевих нанотрубках більш ніж удвічі перевершує відповідний показник найшвидших кремнієвих транзисторів того ж розміру.

http://kv.by/index2003323401.htm
Група професора Каліфорнійського університету в Берклі Алекса Зеттла (Alex Zettl) зробила черговий прорив у галузі нанотехнологій. Вчені створили перший найменший моторчик наномасштабний на основі багатостінних нанотрубок, про що повідомляється в журналі "Nature" 24 липня. Вуглецева нанотрубка виконує свого роду роль осі, де монтується ротор. Максимальні розміри наномоторчика близько 500 нм, ротор має довжину від 100 до 300 нм, а ось нанотрубка-вісь має в діаметрі розмір всього кілька атомів, тобто. приблизно 5-10 нм.

http://www.computerra.ru/hitech/tech/26393/
Днями бостонська компанія Nantero виступила із заявою про розробку плат пам'яті принципово нового зразка, створених на основі нанотехнологій. Nantero Inc. активно займається розробкою нових технологій, зокрема, приділяє неабияку увагу пошуку способів створення енергонезалежної оперативної пам'яті (RAM) на основі вуглецевих нанотрубок. У своєму виступі представник компанії оголосив про те, що вони знаходяться за крок від створення плат пам'яті ємністю 10 Гб. У зв'язку з тим, що основу будівлі пристрою лежать нанотрубки, нову пам'ять пропонується називати NRAM (Nonvolatile (енергонезалежна) RAM).

http://www.ixs.nm.ru/nan0.htm
Одним із результатів проведеного дослідження стало практичне використання визначних властивостей нанотрубок для вимірювання маси часток вкрай малих розмірів. При розміщенні частинки, що зважується, на кінці нанотрубки резонансна частота зменшується. Якщо нанотрубка калібрована (тобто відома її еластичність), можна по зміщенню резонансної частоти визначити масу частки.

http://www.mediacenter.ru/a74.phtml
Серед перших комерційних застосувань буде додавання нанотрубок у фарби або пластмасу для надання цим матеріалам властивостей електропровідності. Це дозволить замінити у деяких виробах металеві деталі полімерними.
Вуглецеві нанотрубки – дорогий матеріал. Наразі CNI продає його за ціною 500 дол. за грам. До того ж технологія очищення вуглецевих нанотрубок - відокремлення хороших трубок від поганих - та спосіб введення нанотрубок в інші продукти вимагають удосконалення. Для вирішення деяких завдань може знадобитися відкриття нобелівського рівня, стверджує Джошуа Вольф, керуючий партнер венчурної фірми Lux Capital, що спеціалізується на нанотехнології.

Дослідники зацікавилися вуглецевими нанотрубками через їхню електропровідність, яка виявилася вищою, ніж у всіх відомих провідників. Вони також мають чудову теплопровідність, стабільні хімічно, відрізняються надзвичайною механічною міцністю (у 1000 разів міцніше сталі) і, що найдивовижніше, набувають напівпровідникових властивостей при скручуванні або згинанні. Для роботи їм надають форму обручки. Електронні властивості вуглецевих нанотрубок можуть бути як у металів або як у напівпровідників (залежно від орієнтації вуглецевих багатокутників щодо осі трубки), тобто. залежать від їх розміру та форми.

http://www.ci.ru/inform09_01/p04predel.htm
Металеві провідні струми нанотрубки можуть витримувати щільності струму в 102-103 рази вище, ніж звичайні метали, а напівпровідникові нанотрубки можна електрично включати і вимикати за допомогою поля, що генерується електродом, що дозволяє створювати польові транзистори.
Вчені з IBM розробили метод так званого "конструктивного руйнування", який дозволив їм зруйнувати всі металеві нанотрубки і залишити неушкодженими напівпровідникові.

http://www.pr.kg/articles/n0111/19-sci.htm
Вуглецеві нанотрубки знайшли ще одне застосування у боротьбі за здоров'я людини – цього разу китайські вчені використовували нанотрубки для очищення питної води від свинцю.

http://www.scientific.ru/journal/news/n030102.html
Ми регулярно пишемо про вуглецеві нанотрубки, проте насправді існують і інші типи нанотрубок, що отримуються з різних напівпровідникових матеріалів. Вчені можуть вирощувати нанотрубки з точно заданою товщиною стіни, діаметром і довжиною.
Нанотрубки можуть бути використані як нанотрубопроводи для транспортування рідини, вони зможуть також грати роль наконечників для шприців з точно вивіреною кількістю нанокапель. Нанотрубки можуть застосовуватися як наносверла, нанопінцети, вістря для тунельних скануючих мікроскопів. Нанотрубки з досить товстими стінками і маленьким діаметром можуть служити опорами для нанооб'єктів, що підтримують, а нанотрубки з великим діаметром і тонкими стінками - виконувати роль наноконтейнерів і нанокапсул. Нанотрубки з сполук на основі кремнію, включаючи карбід кремнію, особливо хороші для виготовлення механічних виробів, оскільки ці матеріали міцні та еластичні. Також твердотільні нанотрубки можуть використовуватися в електроніці.

http://www.compulenta.ru/2003/5/12/39363/
Дослідницький підрозділ корпорації IBM повідомив про важливе досягнення в галузі нанотехнологій. Фахівцям IBM Research вдалося змусити світитися вуглецеві нанотрубки - надзвичайно перспективний матеріал, що лежить в основі багатьох нанотехнологічних розробок по всьому світу.
Світловипромінююча нанотрубка має діаметр всього 1,4 нм, тобто в 50 тисяч разів тонше за людське волосся. Це найменший в історії твердотільне світловипромінюючий пристрій. Його створення стало результатом програми вивчення електричних властивостей вуглецевих нанотрубок, що проводиться IBM протягом кількох останніх років.

http://bunburyodo.narod.ru/chem/solom.htm
Крім вже згаданого вище поки що далекого від здійснення створення металевих нанопроводів, популярна розробка так званих холодних емітерів на нанотрубках. Холодні емітери - ключовий елемент плоского телевізора майбутнього, вони замінюють гарячі емітери сучасних електронно-променевих трубок, до того ж дозволяють позбутися гігантських і небезпечних розгінних напруг 20-30 кВ. При кімнатній температурі нанотрубки здатні випускати електрони, виробляючи струм такої ж щільності, як і стандартний вольфрамовий анод при майже тисячі градусів, та ще й при напрузі всього 500 В.

http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/742.html
Високі значення модуля пружності вуглецевих нанотрубок дозволяють створити композиційні матеріали, що забезпечують високу міцність при надвисоких деформаціях пружних. З такого матеріалу можна буде зробити надлегкі та надміцні тканини для одягу пожежників та космонавтів.
Для багатьох технологічних застосувань приваблива висока питома поверхня матеріалу нанотрубок. У процесі зростання утворюються випадковим чином орієнтовані спіралеподібні нанотрубки, що призводить до утворення значної кількості порожнин та порожнин нанометрового розміру. В результаті питома поверхня матеріалу нанотрубок досягає значень близько 600 м2/г. Настільки висока питома поверхня відкриває можливість їх використання у фільтрах та інших апаратах хімічних технологій.

http://www.1september.ru/ru/him/2001/09/no09_1.htm
Нанокабель від Землі до Місяця з одиночної трубки можна було б намотати на котушку розміром із макове зернятко.
За своєю міцністю нанотрубки перевершують сталь у 50-100 разів (хоча нанотрубки мають у шість разів меншу щільність). Модуль Юнга – характеристика опору матеріалу осьовому розтягуванню та стиску – у нанотрубок у середньому вдвічі вища, ніж у вуглецевих волокон. Трубки не тільки міцні, а й гнучкі, нагадують за своєю поведінкою не ламкі соломинки, а жорсткі гумові трубки.
Нитка діаметром 1 мм, що складається з нанотрубок, могла б витримати вантаж у 20 т, що у кілька сотень мільярдів разів більше за її власну масу.
Міжнародна група вчених показала, що нанотрубки можна використовувати для створення штучних м'язів, які при однаковому обсязі можуть бути втричі сильнішими за біологічні, не бояться високих температур, вакууму і багатьох хімічних реагентів.
Нанотрубки – ідеальний матеріал для безпечного зберігання газів у внутрішніх порожнинах. В першу чергу це відноситься до водню, який давно стали б використовувати як паливо для автомобілів, якби громіздкі, товстостінні, важкі і небезпечні при поштовхах балони для зберігання водню не позбавляли водень його головної переваги - великої кількості енергії, що виділяється на одиницю маси ( на 500 км пробігу автомобіля потрібно лише близько 3 кг Н2). Заповнювати "бензобак" із нанотрубками можна було б стаціонарно під тиском, а вилучати паливо - невеликим підігрівом "бензобака". Щоб перевершити звичайні газові балони за масовою та об'ємною щільністю запасеної енергії (маса водню, віднесена до його маси разом з оболонкою або до його об'єму разом з оболонкою), потрібні нанотрубки з порожнинами щодо великого діаметру - більше 2-3 нм.
Біологи зуміли ввести в порожнину нанотрубок невеликі протеїни та молекули ДНК. Це і метод отримання каталізаторів нового типу, і в перспективі спосіб доставки біологічно активних молекул і ліків до тих чи інших органів.

Вступ:

Нанотрубки можуть виступати у ролі досліджуваного матеріалу, а й як інструмент дослідження. На основі нанотрубки можна, наприклад, створити мікроскопічні ваги. Беремо нанотрубку, визначаємо (спектроскопічні методи) частоту її власних коливань, потім прикріплюємо до неї досліджуваний зразок і визначаємо частоту коливань навантаженої нанотрубки. Ця частота буде меншою за частоту коливань вільної нанотрубки: адже маса системи збільшилася, а жорсткість залишилася колишньою (згадайте формулу для частоти коливань вантажу на пружинці). Наприклад, у роботі було виявлено, що вантаж зменшує частоту коливань з 3.28 МГц до 968 кГц, звідки була отримана маса вантажу 22+-8 фг (фемтограм, тобто 10-15 грам!)

Інший приклад, коли нанотрубка є частиною фізичного приладу - це "насадження" її на вістря тунельного або атомного силового мікроскопа, що сканує. Зазвичай таке вістря є гостро заточеною вольфрамовою голкою, але за атомними мірками така заточка все одно досить груба. Нанотрубка ж є ідеальною голкою діаметром порядку декількох атомів. Прикладаючи певну напругу, можна підхоплювати атоми та цілі молекули, що знаходяться на підкладці безпосередньо під голкою, та переносити їх з місця на місце.

Незвичайні електричні властивості нанотрубок зроблять їх одним із основних матеріалів наноелектроніки. Вже зараз створені досвідчені зразки польових транзисторів на основі однієї нанотрубки: прикладаючи напругу кількох вольт, що замикає, вчені навчилися змінювати провідність одношарових нанотрубок на 5 порядків!

Розроблено вже й кілька застосувань нанотрубок у комп'ютерній промисловості. Наприклад, створені та випробувані прототипи тонких плоских дисплеїв, що працюють на матриці з нанотрубок. Під дією напруги, що прикладається до одного з кінців нанотрубки, з іншого кінця починають випускатися електрони, які потрапляють на фосфоресціюючий екран і викликають свічення пікселя. Зображення, що виходить при цьому, буде фантастично малим: порядку мікрону!

Вуглецеві нанотрубки (тубулени) - це протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і довжиною до кількох сантиметрів, що складаються з однієї або декількох згорнутих в трубку гексагональних графітових площин і закінчуються напівсферичною головкою, яка може розглядатися як половина молекули фулерену

Структура нанотрубок:

Для отримання нанотрубки (n, m), графітову площину треба розрізати за напрямками пунктирних ліній та згорнути вздовж напрямку вектора R .

Ідеальна нанотрубка є згорнутою в циліндр графітовою площиною, тобто поверхнею, викладеною правильними шестикутниками, у вершинах яких розташовані атоми вуглецю. Результат такої операції залежить від кута орієнтації графітової площини щодо осі нанотрубки. Кут орієнтації, своєю чергою, задає хіральність нанотрубки, що визначає, зокрема, її електричні характеристики.

Хіральність нанотрубок позначається набором символів (m, n), що вказують на координати шестикутника, який в результаті згортання площини повинен збігатися з шестикутником, що знаходиться на початку координат.

Інший спосіб позначення хіральності полягає у вказівці кута між напрямком згортання нанотрубки і напрямком, в якому сусідні шестикутники мають спільну сторону. Однак у цьому випадку для повного опису геометрії нанотрубки необхідно зазначити її діаметр. Індекси хіральності одношарової нанотрубки (m, n) однозначним чином визначають її діаметр D. Зазначений зв'язок має такий вигляд:

де d 0 = 0,142 нм - відстань між сусідніми атомами вуглецю у графітовій площині. Зв'язок між індексами хіральності (m, n) та кутом α дається співвідношенням:

Серед різних можливих напрямів згортання нанотрубок виділяються ті, котрим поєднання шестикутника (m, n) з початком координат не вимагає спотворення його структури. Цим напрямкам відповідають, зокрема, кути α = 0 (armchair конфігурація) та α = 30° (zigzag конфігурація). Зазначені конфігурації відповідають хіральностям (m, 0) та (2n, n) відповідно.

(Типи нанотрубок)

Одностінні нанотрубки:

Структура одностінних (single-walled) нанотрубок, що спостерігаються експериментально, багато в чому відрізняється від представленої вище ідеалізованої картини. Насамперед це стосується вершин нанотрубки, форма яких, як випливає зі спостережень, далека від ідеальної напівсфери.

Особливе місце серед одностінних нанотрубок займають так звані armchair-нанотрубки або нанотрубки з хіральністю (10, 10). У нанотрубках такого типу дві із С-З-зв'язків, що входять до складу кожного шестичленного кільця, орієнтовані паралельно поздовжній осі трубки. Нанотрубки з подібною структурою повинні мати суто металеву структуру.

Багатостінні нанотрубки:

Багатостінні (multi-walled) нанотрубки відрізняються від одностінних значно ширшим розмаїттям форм та конфігурацій. Розмаїття структур проявляється як у поздовжньому, і у поперечному напрямі.

Структура типу «російської матрьошки» (russian dolls) (рис. а) є сукупністю коаксіально вкладених один в одного циліндричних трубок. Інший різновид цієї структури (рис. б) є сукупністю вкладених один в одного коаксіальних призм. Нарешті, остання з наведених структур (мал. в) нагадує сувій (scroll). Для всіх структур на рис. характерне значення відстані між сусідніми графітовими шарами, близьке до величини 0,34 нм, властивої відстані між сусідніми площинами кристалічного графіту.

Історія відкриття:

Як відомо, фулерен (C 60) був відкритий групою Смоллі, Крото та Керла у 1985 р., за що у 1996 р. ці дослідники були удостоєні Нобелівської премії з хімії. Щодо вуглецевих нанотрубок, то тут не можна назвати точну дату їх відкриття. Хоча загальновідомим є факт спостереження структури багатостінних нанотрубок Ііджимою в 1991 р., існують раніше свідчення відкриття вуглецевих нанотрубок. Так, наприклад, у 1974-1975 pp. Ендо та ін опублікували ряд робіт з описом тонких трубок з діаметром менше 100 Å, приготованих методом конденсації з пари, проте більш детального дослідження структури не було проведено. Група вчених Інституту каталізу СО АН СРСР у 1977 році при вивченні завуглерожування залізохромових каталізаторів дегідрування під мікроскопом зареєстрували утворення "порожнистих вуглецевих дендритів", при цьому було запропоновано механізм утворення та описано будову стінок. У 1992 в Nature була опублікована стаття, в якій стверджувалося, що нанотрубки спостерігали в 1953 р. Роком раніше, в 1952, в статті радянських учених Радушкевича і Лук'яновича повідомлялося про електронно-мікроскопічне спостереження волокон з діаметром близько 100 нм. вуглецю на залізному каталізаторі. Ці дослідження також були продовжені.