Fysiikan tiedekunta

Puolijohdefysiikan ja optoelektroniikan laitos

S. M. Plankina

"hiilinanoputket"

Kuvaus laboratoriotyöt nopeudella

"Nanoteknologian materiaalit ja menetelmät"

Nižni Novgorod 2006

Työn tarkoitus: perehtyä hiilinanoputkien valmistuksen ominaisuuksiin, rakenteeseen ja teknologiaan sekä tutkia niiden rakennettala.

1. Esittely

Vuoteen 1985 asti hiilen tiedettiin esiintyvän luonnossa kahdessa allotrooppisessa tilassa: 3D-muodossa (timanttirakenne) ja kerroksellisessa 2D-muodossa (grafiittirakenne). Grafiitissa jokainen kerros muodostuu kuusikulmioiden verkostosta, jonka lähimpien naapurien välinen etäisyys d c - c = 0,142 nm. Kerrokset sijaitsevat ABAB...-sekvenssissä (kuva 1), jossa atomit I sijaitsevat suoraan atomien yläpuolella vierekkäisillä tasoilla ja atomit II sijaitsevat kuusikulmioiden keskipisteiden yläpuolella vierekkäisillä alueilla. Tuloksena oleva kristallografinen rakenne on esitetty kuvassa la, jossa a 1 ja a 2 ovat yksikkövektoreita grafiittitasossa, c on kuusikulmaista tasoa vastaan ​​kohtisuorassa oleva yksikkövektori. Tasojen välinen etäisyys hilassa on 0,337 nm.

Riisi. 1. a) Grafiitin kiteinen rakenne. Hilan määrittelevät yksikkövektorit a 1 , a 2 ja c. (b) Vastaava Brillouinin vyöhyke.

Koska kerrosten välinen etäisyys on suurempi kuin etäisyys kuusikulmioissa, grafiitti voidaan arvioida 2D-materiaaliksi. Nauharakenteen laskeminen osoittaa vyöhykkeiden degeneroitumisen pisteessä K Brillouinin vyöhykkeellä (katso kuva 1b). Tämä on erityisen kiinnostavaa johtuen siitä, että Fermi-taso ylittää tämän rappeutumispisteen, mikä luonnehtii tätä materiaalia puolijohteeksi, jonka energiarako on katoava kohdassa T → 0. Jos laskelmissa otetaan huomioon tasojen väliset vuorovaikutukset, niin kaistarakenteessa tapahtuu siirtymä puolijohteesta puolimetalliin energiakaistojen päällekkäisyyden vuoksi.

Fullereenit, 0D-muoto, joka koostuu 60 hiiliatomista, löysivät vuonna 1985 Harold Kroto ja Richard Smalley. Tämä löytö palkittiin vuonna 1996. Nobel palkinto kemiassa. Vuonna 1991 Iijima löysi uuden 1D-muodon hiilestä - pitkänomaisia ​​putkimaisia ​​hiilimuodostelmia, joita kutsutaan "nanoputkiksi". Kretschmerin ja Huffmanin teknologian kehittäminen niiden tuottamiseksi makroskooppisissa määrissä aloitti hiilen pintarakenteiden systemaattisen tutkimuksen. Tällaisten rakenteiden pääelementti on grafiittikerros - pinta, joka on vuorattu säännöllisillä viisikulmioilla, kuusikulmioilla ja heptagoneilla (viisikulmioilla, kuusikulmioilla ja heptagoneilla), joiden kärjeissä on hiiliatomeja. Fullereenien tapauksessa tällaisella pinnalla on suljettu pallomainen tai pallomainen muoto (kuva 2), jokainen atomi on kytketty 3 naapuriin ja sidos on sp 2. Yleisin fullereenimolekyyli C 60 koostuu 20 kuusikulmiosta ja 12 viisikulmiosta. Hänen poikki ulottuvuus– 0,714 nm. Tietyissä olosuhteissa C60-molekyylit voivat järjestyä ja muodostaa molekyylikiteen. Tietyissä olosuhteissa huoneenlämpötilassa C60-molekyylejä voidaan järjestellä ja muodostaa punertavan värisiä molekyylikiteitä, joissa on kasvokeskeinen kuutiohila, jonka parametri on 1,41 nm.

Kuva 2. Molekyyli C 60.

2. Hiilinanoputkien rakenne

2.1 Nanoputkien kiraalisuuskulma ja halkaisija

Hiilinanoputket ovat laajennettuja rakenteita, jotka koostuvat yksiseinäiseksi (SWNT) tai moniseinäiseksi (MWNT) putkeksi rullatuista grafiittikerroksista. Pienin tunnettu nanoputken halkaisija on 0,714 nm, joka on C60-fullereenimolekyylin halkaisija. Kerrosten välinen etäisyys on lähes aina 0,34 nm, mikä vastaa grafiitin kerrosten välistä etäisyyttä. Tällaisten muodostumien pituus on kymmeniä mikroneja ja on useita suuruusluokkia suurempi kuin niiden halkaisija (kuva 3). Nanoputket voivat olla avoimia tai päättyä puolipalloihin, muistuttaen puolikasta fullereenimolekyyliä.

Nanoputken ominaisuudet määräytyvät grafiittitason suuntauskulman perusteella putken akseliin nähden. Kuvassa 3 on kaksi mahdollista erittäin symmetristä nanoputkirakennetta – siksak ja nojatuoli. Mutta käytännössä useimmilla nanoputkilla ei ole niin hyvin symmetrisiä muotoja, ts. niissä kuusikulmiot on kierretty spiraaliksi putken akselin ympäri. Näitä rakenteita kutsutaan kiraaliseksi.

Kuva 3. Idealisoidut mallit yksiseinäisistä nanoputkista, joissa on siksak (a) ja nojatuoli (b).

Riisi. 4. Hiilinanoputket muodostetaan kiertämällä grafiittitasoja sylinteriksi, joka yhdistää pisteen A pisteeseen A." Kiraalisuuskulma määritellään q - (a). Tuolityyppinen putki, jossa h = (4.4) - (b). Vaihe P riippuu kulmasta q - (c).

Olemassa rajoitettu määrä kaavioita, joiden avulla grafiittikerroksesta voidaan rakentaa nanoputki. Tarkastellaan pisteitä A ja A" kuvassa 4a. A:n ja A":n yhdistävä vektori määritellään seuraavasti: c h =na 1 +ma 2, missä n, m ovat reaalilukuja, a 1 ja 2 ovat yksikkövektoreita grafiittitasossa. Putki muodostetaan rullaamalla grafiittikerros ja yhdistämällä pisteet A ja A." Sitten se määritellään yksiselitteisesti vektorilla c h. Kuvassa 5 on indeksointikaavio hilavektorille c h.

Yksikerroksisen putken kiraalisuusindeksit määrittävät yksilöllisesti sen halkaisijan:

missä on hilavakio. Indeksien ja kiraalisuuskulman välinen suhde saadaan relaatiosta:

Kuva 5. Hilavektorin indeksointikaavio c h .

Siksak-nanoputket määritellään kulman mukaan K =0° , joka vastaa vektoria (n, m)= (n, 0). Niissä C-C-sidokset kulkevat yhdensuuntaisesti putken akselin kanssa (kuva 3, a).

Nojatuolin rakenteelle on ominaista kulma K = ± 30°, joka vastaa vektoria (n, m) = (2n, -n) tai (n, n). Tällä putkiryhmällä on S-S liitännät, kohtisuorassa putken akseliin nähden (kuvat 3b ja 4b). Loput yhdistelmät muodostavat kiraalityyppisiä putkia, joiden kulmat ovat 0°<<K <30 о. Как видно из рис. 4с, шаг спирали Р зависит от угла K .

2.2 Moniseinäisten nanoputkien rakenne

Moniseinäiset nanoputket eroavat yksiseinäisistä nanoputkista paljon laajemman valikoiman muotoja ja kokoonpanoja. Rakenteiden monimuotoisuus ilmenee sekä pitkittäis- että poikittaissuunnassa. Mahdolliset moniseinäisten nanoputkien poikittaisrakenteen tyypit on esitetty kuvassa. 6. "Russian neting doll" -tyyppinen rakenne (kuva 6a) on kokoelma yksiseinäisiä sylinterimäisiä nanoputkia, jotka ovat koaksiaalisesti sisäkkäisiä. Toinen tämän rakenteen muunnelma, joka on esitetty kuvassa. Kuva 6b on kokoelma koaksiaalisia prismoja, jotka on sijoitettu sisäkkäin. Lopuksi viimeinen esitetyistä rakenteista (kuva 6c) muistuttaa rullaa. Kaikille yllä oleville rakenteille on tunnusomaista vierekkäisten grafiittikerrosten välisen etäisyyden arvo, joka on lähellä arvoa 0,34 nm, joka on luontainen kiteisen grafiitin vierekkäisten tasojen väliselle etäisyydelle. Tietyn rakenteen toteuttaminen tietyssä koetilanteessa riippuu nanoputkien synteesin edellytyksistä.

Moniseinäisten nanoputkien tutkimukset ovat osoittaneet, että kerrosten väliset etäisyydet voivat vaihdella standardiarvosta 0,34 nm kaksinkertaiseen arvoon 0,68 nm. Tämä osoittaa, että nanoputkissa on vikoja, kun yksi kerroksista puuttuu osittain.

Merkittävällä osalla moniseinäisiä nanoputkia voi olla monikulmioinen poikkileikkaus siten, että tasaisen pinnan alueet ovat vierekkäin erittäin kaarevan pinnan alueiden kanssa, jotka sisältävät reunoja, joissa on korkea sp3-hybridisoitunut hiiltä. Nämä reunat määrittävät sp 2 -hybridisoidusta hiilestä koostuvia pintoja ja määräävät monia nanoputkien ominaisuuksia.

Kuva 6. Moniseinäisten nanoputkien poikittaisrakenteiden mallit (a) - "Russian neting doll"; (b) – kuusikulmainen prisma; (c) – rullaa.

Toisen tyyppiset viat, joita usein havaitaan moniseinäisten nanoputkien grafiittipinnalla, liittyvät tietyn määrän viisikulmioita tai kuusikulmioita sijoittumiseen pintaan, joka koostuu pääasiassa kuusikulmioista. Tällaisten vikojen esiintyminen nanoputkien rakenteessa johtaa niiden lieriömäisen muodon rikkomiseen, ja viisikulmion lisääminen aiheuttaa kuperan mutkan, kun taas seitsemänkulmion lisääminen myötävaikuttaa terävän kyynärpään muotoisen mutkan esiintymiseen. Täten tällaiset viat aiheuttavat kaarevien ja spiraalin muotoisten nanoputkien ilmaantumista, ja spiraalien esiintyminen, joiden nousu on vakio, osoittaa vikojen enemmän tai vähemmän säännöllisen sijoittelun nanoputken pinnalla. On havaittu, että tuolin putket voidaan yhdistää siksak-putkiin käyttämällä kulmaliitosta, joka käsittää viisikulmion kyynärpään ulkopuolella ja kuusikulmion sisäpuolella. Esimerkkinä kuvassa. Kuvassa 7 on esitetty (5.5) tuoliputken ja (9.0) siksak-putken liitos.

Riisi. 7. Kuva "kyynärpäästä" (5,5) tuolin ja (9,0) siksak-putken välillä. (a) Perspektiivipiirros viisikulmaisilla ja kuusikulmaisilla varjostetuilla renkailla, (b) rakenne projisoituna kyynärpään symmetriatasolle.

3. Hiilinanoputkien valmistusmenetelmät

3.1 Grafiitin valmistus valokaaripurkauksessa

Menetelmä perustuu hiilinanoputkien muodostumiseen grafiittielektrodin lämpösputteroinnin aikana heliumilmakehässä palavan kaaripurkauksen plasmassa. Tällä menetelmällä on mahdollista saada nanoputkia määrinä, jotka ovat riittäviä niiden fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien yksityiskohtaiseen tutkimukseen.

Putki voidaan saada pidennetyistä grafiitin palasista, jotka sitten kierretään sylinteriksi. Laajennettujen fragmenttien muodostamiseksi grafiitille vaaditaan erityisiä kuumennusolosuhteita. Optimaaliset olosuhteet nanoputkien valmistamiseksi toteutetaan kaaripurkauksessa käyttämällä elektrolyysigrafiittia elektrodeina. Kuvassa Kuvassa 8 on yksinkertaistettu kaavio fullereenien ja nanoputkien valmistuslaitteistosta.

Grafiitin ruiskutus suoritetaan ohjaamalla elektrodien läpi virtaa taajuudella 60 Hz, virran arvo on 100-200 A, jännite 10-20 V. Säätämällä jousen kireyttä voidaan varmista, että suurin osa syötetystä tehosta vapautuu kaaressa, ei grafiittisauvassa. Kammio täytetään heliumilla paineella 100-500 torr. Grafiitin haihtumisnopeus tässä asennuksessa voi olla 10 g/V. Tässä tapauksessa kuparikotelon vedellä jäähdytetty pinta peitetään grafiitin haihtumistuotteella, ts. grafiitti noki. Jos saatu jauhe kaavitaan pois ja pidetään kiehuvassa tolueenissa useita tunteja, saadaan tummanruskea neste. Pyörivässä haihduttimessa haihdutettaessa saadaan hienoa jauhetta, jonka paino on enintään 10 % alkuperäisen grafiittinoen painosta, se sisältää jopa 10 % fullereeneja ja nanoputkia.

Kuvatussa nanoputkien valmistusmenetelmässä helium toimii puskurikaasuna. Heliumatomit kuljettavat pois energian, joka vapautuu hiilifragmenttien yhdistyessä. Kokemus osoittaa, että optimaalinen heliumin paine fullereenien tuottamiseksi on alueella 100 torr, nanoputkien valmistuksessa - 500 torr.

Riisi. 8. Fullereenien ja nanoputkien tuotantolaitoksen kaavio. 1 - grafiittielektrodit; 2 - jäähdytetty kupariväylä; 3 - kuparikotelo, 4 - jouset.

Erilaisista grafiitin lämpösumutustuotteista (fullereenit, nanohiukkaset, nokihiukkaset) pieni osa (useita prosenttiosuuksia) on moniseinäisiä nanoputkia, jotka kiinnitetään osittain asennuksen kylmiin pintoihin ja kerrostuvat osittain pinnalle yhdessä asennuksen kanssa. noki.

Yksiseinäisiä nanoputkia muodostetaan lisäämällä anodiin pieni epäpuhtaus Fe, Co, Ni, Cd (eli lisäämällä katalyyttejä). Lisäksi SWNT:itä saadaan hapettamalla moniseinäisiä nanoputkia. Hapetusta varten moniseinäisiä nanoputkia käsitellään hapella kohtalaisessa kuumennuksessa tai kiehuvalla typpihapolla, ja jälkimmäisessä tapauksessa viisijäseniset grafiittirenkaat poistetaan, mikä johtaa putkien päiden aukeamiseen. Hapetuksen ansiosta monikerroksisesta putkesta voidaan poistaa pintakerrokset ja sen päät paljastaa. Koska nanohiukkasten reaktiivisuus on korkeampi kuin nanoputkien, hiilituotteen merkittävä tuhoutuminen hapettumisen seurauksena, nanoputkien osuus jäljellä olevassa osassa kasvaa.

3.2 Laserhaihdutusmenetelmä

Vaihtoehto nanoputkien kasvattamiselle kaaripurkauksessa on laserhaihdutusmenetelmä. Tässä menetelmässä SWNT:t syntetisoidaan pääasiassa haihduttamalla hiilen ja siirtymämetallien seos lasersäteellä kohteesta, joka koostuu metalliseoksesta ja grafiitista. Valokaaripurkausmenetelmään verrattuna suora haihdutus mahdollistaa kasvuolosuhteiden tarkemman hallinnan, pitkäaikaisen toiminnan sekä suuremman tuoton ja paremman laadun nanoputkien tuotannon. Perusperiaatteet SWNT:iden valmistuksessa laserhaihduttamalla ovat samat kuin kaaripurkausmenetelmässä: hiiliatomit alkavat kerääntyä ja muodostaa yhdisteen metallikatalyyttihiukkasten sijaintipaikassa. Asetuksessa (kuva 9) pyyhkäisevä lasersäde fokusoitiin 6-7 mm:n pisteeseen metalligrafiittia sisältävään kohteeseen. Kohde asetettiin putkeen, joka oli täytetty (korotetussa paineessa) argonilla ja kuumennettiin 1200 °C:seen. Laserhaihdutuksen aikana muodostunut noki kuljetettiin argonvirran mukana korkean lämpötilan vyöhykkeeltä ja kerrostettiin vesijäähdytteiseen kuparikeräimeen, joka sijaitsee putken ulostulossa.

Riisi. 9. Laserablaatioasennuksen kaavio.

3.3 Kemiallinen höyrysaostuminen

Plasmakemiallisen höyrypinnoituksen (PVD) menetelmä perustuu siihen, että kaasumainen hiilen lähde (useimmiten metaani, asetyleeni tai hiilimonoksidi) altistetaan jollekin korkean energian lähteelle (plasmalle tai resistiivisesti kuumennetulle kierteelle) hiilidioksidin hajottamiseksi. molekyylin reaktioaktiiviseksi atomihiileksi. Seuraavaksi se sputteroidaan kuumennetun alustan päälle, joka on päällystetty katalyytillä (yleensä ensimmäisen jakson siirtymämetallit Fe, Co, Ni jne.), jolle kerrostetaan hiiltä. Nanoputket muodostuvat vain tarkasti noudatetuissa parametreissä. Nanoputkien kasvusuunnan ja niiden sijainnin tarkka toisto nanometritasolla voidaan saavuttaa vain, kun ne on tuotettu katalyyttisellä PCD:llä. Nanoputkien halkaisijan ja niiden kasvunopeuden tarkka hallinta on mahdollista. Katalyyttihiukkasten halkaisijasta riippuen vain SWNT:t tai MWNT:t voivat kasvaa. Käytännössä tätä ominaisuutta käytetään laajasti teknologiassa, jolla luodaan koettimia pyyhkäisykoettimikroskoopia varten. Asettamalla katalyytin asento piiulokkeen neulan päähän on mahdollista kasvattaa nanoputki, mikä parantaa merkittävästi mikroskoopin ominaisuuksien ja resoluution toistettavuutta sekä skannauksen että litografisten toimenpiteiden aikana.

Tyypillisesti nanoputkien synteesi PCO-menetelmällä tapahtuu kahdessa vaiheessa: katalyytin valmistus ja nanoputkien varsinainen kasvu. Katalyytti levitetään ruiskuttamalla siirtymämetalli substraatin pinnalle, ja sitten kemiallista syövytystä tai hehkutusta käyttämällä käynnistetään katalyyttihiukkasten muodostuminen, joiden päälle nanoputket myöhemmin kasvavat (kuva 10). Lämpötila nanoputkien synteesin aikana vaihtelee välillä 600 - 900 °C.

Monista PCT-menetelmistä tulee huomioida hiilivetyjen katalyyttisen pyrolyysin menetelmä (kuva 10), jossa on mahdollista toteuttaa joustava ja erillinen nanoputkien muodostumisolosuhteiden ohjaus.

Katalyyttinä käytetään yleensä rautaa, joka muodostuu pelkistävässä ympäristössä erilaisista rautayhdisteistä (rauta(III)kloridi, rauta(III)salisylaatti tai rautapentakarbonyyli). Rautasuolojen seos hiilivedyn (bentseenin) kanssa ruiskutetaan reaktiokammioon joko suunnatulla argonvirralla tai ultraäänisuihkulla. Tuloksena oleva aerosoli argonvirralla tulee kvartsireaktoriin. Esilämmitysuunivyöhykkeellä aerosolivirtaus kuumennetaan ~250 °C:n lämpötilaan, hiilivety haihtuu ja metallipitoisen suolan hajoamisprosessi alkaa. Seuraavaksi aerosoli tulee pyrolyysiuunin vyöhykkeelle, jossa lämpötila on 900 °C. Tässä lämpötilassa tapahtuu mikro- ja nanokokoisten katalyyttihiukkasten muodostumisprosessi, hiilivetyjen pyrolyysi ja erilaisten hiilirakenteiden, mukaan lukien nanoputkien, muodostuminen metallihiukkasiin ja reaktorin seiniin. Sitten reaktioputken läpi liikkuva kaasuvirtaus tulee jäähdytysalueelle. Pyrolyysituotteet kerrostetaan pyrolyysivyöhykkeen päähän vesijäähdytetylle kuparisauvalle.

Riisi. 10. Kaavio hiilivetyjen katalyyttisen pyrolyysin laitteistosta.

4. Hiilinanoputkien ominaisuudet

Hiilinanoputket yhdistävät molekyylien ja kiinteän aineen ominaisuudet, ja jotkut tutkijat pitävät niitä aineen välitilana. Hiilinanoputkien ensimmäisten tutkimusten tulokset osoittavat niiden epätavalliset ominaisuudet. Joitakin yksiseinäisten nanoputkien ominaisuuksia on esitetty taulukossa. 1.

SWNT:iden sähköiset ominaisuudet määräytyvät suurelta osin niiden kiraalisuudesta. Lukuisat teoreettiset laskelmat antavat yleissäännön SWNT:iden johtavuustyypin määrittämiseksi:

putket, joissa on (n, n), ovat aina metallia;

putket, joiden n – m= 3j, jossa j on nollasta poikkeava kokonaisluku, ovat puolijohteita, joilla on pieni kaistaväli; ja kaikki loput ovat suuren kaistavälin puolijohteita.

Itse asiassa kaistateoria n – m = 3j putkille antaa metallisen johtavuuden, mutta kun tasoa taivutetaan, aukeaa pieni rako nollasta poikkeavan j:n tapauksessa. Tuolin (n, n) nanoputket yksielektronimuodossa pysyvät metallisina pintakaarevuudesta huolimatta, mikä johtuu niiden symmetriasta. Putken säteen R kasvaessa suuren ja pienen leveyden puolijohteiden kaistaväli pienenee lain 1/R ja 1/R 2 mukaisesti. Siten suurimmalle osalle kokeellisesti havaituista nanoputkista kaarevuusvaikutuksen määräämä pienen leveyden rako on niin pieni, että käytännön sovelluksissa kaikki putket, joiden n – m = 3j huoneenlämpötilassa katsotaan metallisiksi.

pöytä 1

Ominaisuudet	Yksiseinäiset nanoputket	Vertailu tunnettuihin tietoihin
Tyypillinen koko	Halkaisija 0,6 - 1,8 nm	Elektronilitografian raja 7 nm
Tiheys	1,33-1,4 g/cm3	Alumiinin tiheys
Vetolujuus		Vahvin terässeos rikkoutuu 2 GPa:lla
Elastisuus	Taipuu joustavasti missä tahansa kulmassa	Metallit ja hiilikuidut rikkoutuvat raerajoilla
Nykyinen tiheys	Arvioiden mukaan jopa 1 G A/cm 2	Kuparilangat palavat, kun
Automaattinen päästö	Aktivoituu 1-3 V jännitteellä 1 µm etäisyydellä	Molybdeenineulat vaativat 50 - 100 V, eivätkä ne kestä kauan
Lämmönjohtokyky	Ennustettu jopa 6000 W/mK	Puhtaalla timantilla on 3320 W/mK
Lämpötilan vakaus	Jopa 2800°C tyhjiössä ja 750°C ilmassa	Piireissä tapahtuva metallointi sulaa 600 - 1000°C:ssa
		Kulta 10$/g

Hiilinanoputkien korkea mekaaninen lujuus yhdistettynä niiden sähkönjohtavuuteen mahdollistaa niiden käytön anturina pyyhkäisykoettimikroskoopeissa, mikä lisää tällaisten laitteiden resoluutiota useilla suuruusluokilla ja asettaa ne samalle tasolle. ainutlaatuinen laite kenttäionimikroskoopiksi.

Nanoputkilla on korkeat päästöominaisuudet; Kenttäemissiovirran tiheys noin 500 V jännitteellä saavuttaa arvon noin 0,1 A. cm -2 huoneenlämpötilassa. Tämä avaa mahdollisuuden luoda niiden pohjalta uuden sukupolven näyttöjä.

Avopäisillä nanoputkilla on kapillaarivaikutus ja ne pystyvät imemään sisään sulaa metalleja ja muita nestemäisiä aineita. Tämän nanoputkien ominaisuuden toteutuminen avaa mahdollisuuden luoda johtavia lankoja, joiden halkaisija on noin nanometri.

Nanoputkien käyttö kemiantekniikassa vaikuttaa erittäin lupaavalta, mikä liittyy toisaalta niiden suureen ominaispinta-alaan ja kemialliseen stabiilisuuteen ja toisaalta mahdollisuuteen kiinnittää nanoputkien pintaan erilaisia ​​radikaaleja, jotka voivat myöhemmin toimia joko katalyyttisinä keskuksina tai ytiminä erilaisten kemiallisten muutosten suorittamiseksi. Nanoputkien toistuvasti yhteen kierrettyjen satunnaisesti suuntautuneiden kierrerakenteiden muodostuminen johtaa siihen, että nanoputkimateriaalin sisälle ilmestyy huomattava määrä nanometrin kokoisia onteloita, joihin pääsee nesteitä tai kaasuja tunkeutumaan ulkopuolelta. Tämän seurauksena nanoputkista koostuvan materiaalin ominaispinta-ala osoittautuu lähelle yksittäisen nanoputken vastaavaa arvoa. Tämä arvo yksiseinämäisen nanoputken tapauksessa on noin 600 m 2 g -1. Nanoputkien näin suuri ominaispinta-ala avaa mahdollisuuden käyttää niitä huokoisena materiaalina suodattimissa, kemiantekniikan laitteissa jne.

Tällä hetkellä on ehdotettu erilaisia ​​vaihtoehtoja hiilinanoputkien käytölle kaasuantureissa, joita käytetään aktiivisesti ekologiassa, energiassa, lääketieteessä ja maataloudessa. Kaasuanturit on luotu perustuen lämpötehon tai resistanssin muutoksiin nanoputkien pinnalle erilaisten kaasujen molekyylien adsorption aikana.

5. Nanoputkien käyttö elektroniikassa

Vaikka nanoputkien teknologiset sovellukset, jotka perustuvat niiden korkeaan ominaispinta-alaan, ovat merkittävää soveltavaa mielenkiintoa, houkuttelevimmat ovat ne nanoputkien käyttöalueet, jotka liittyvät modernin elektroniikan eri alojen kehitykseen. Nanoputken ominaisuudet, kuten sen pieni koko, joka vaihtelee merkittävästi synteesiolosuhteiden, sähkönjohtavuuden, mekaanisen lujuuden ja kemiallisen stabiiliuden mukaan, antavat mahdollisuuden ajatella nanoputkea tulevaisuuden mikroelektronisten elementtien perustana.

Viisikulma-heptagon -parin tuominen yksiseinäisen nanoputken ideaaliseen rakenteeseen virheenä (kuten kuvassa 7) muuttaa sen kiraalisuutta ja sen seurauksena sen elektronisia ominaisuuksia. Jos tarkastelemme rakennetta (8,0)/(7,1), niin laskelmista seuraa, että putki, jolla on kiraalisuus (8,0), on puolijohde, jonka kaistaväli on 1,2 eV, kun taas putki, jolla on kiraalisuus ( 7 ,1) on puolimetalli. Näin ollen tämän kaarevan nanoputken pitäisi edustaa molekyylimetalli-puolijohdeliitosta ja sitä voitaisiin käyttää tasasuuntaavan diodin luomiseen, joka on yksi elektronisten piirien peruselementeistä.

Samalla tavalla vian käyttöönoton seurauksena voidaan saada puolijohde-puolijohde-heteroliitoksia, joilla on erilaiset kaistavälit. Siten nanoputket, joissa on vikoja, voivat muodostaa perustan ennätyksellisen pienelle puolijohdeelementille. Vian tuominen yksiseinäisen nanoputken ideaaliseen rakenteeseen aiheuttaa tiettyjä teknisiä vaikeuksia, mutta voidaan odottaa, että äskettäin kehitetyn teknologian kehityksen seurauksena yksiseinäisten nanoputkien valmistamiseksi, joilla on tietty kiraalisuus, tämä ongelma tulee ratkaista onnistuneesti.

Hiilinanoputkien pohjalta pystyttiin luomaan transistori, jonka ominaisuudet ylittävät vastaavat piirit, jotka on valmistettu piistä, joka on tällä hetkellä pääkomponentti puolijohdemikropiirien valmistuksessa. Platinalähde- ja nieluelektrodit muodostettiin p- tai n-tyypin piisubstraatin pinnalle, joka oli aiemmin päällystetty 120 nm:n Si02-kerroksella, ja yksiseinäisiä nanoputkia kerrostettiin liuoksesta (kuva 11).

Kuva 11. Kenttätransistori puolijohde-nanoputkessa. Nanoputki on johtamattomalla (kvartsi) alustalla kosketuksessa kahden ultraohuen langan kanssa, kolmantena elektrodina (porttina) käytetään piikerrosta; piirin johtavuuden riippuvuus hilapotentiaalista (b) 3.

Harjoittele

1. Tutustu hiilinanoputkien valmistuksen ominaisuuksiin, rakenteeseen ja teknologiaan.

2. Valmistele hiilinanoputkia sisältävä materiaali trtutkittavaksi.

3. Ota tarkennettu kuva nanoputkista eri suurennoksilla. Arvioi ehdotettujen nanoputkien koko (pituus ja halkaisija) korkeimmalla mahdollisella resoluutiolla. Tee johtopäätös nanoputkien luonteesta (yksiseinämäiset tai moniseinäiset) ja havaituista vioista.

Kontrollikysymykset

1. Hiilimateriaalien elektroninen rakenne. Yksiseinäisten nanoputkien rakenne. Monikerroksisten nanoputkien rakenne.

2. Hiilinanoputkien ominaisuudet.

3. Perusparametrit, jotka määrittävät nanoputkien sähköiset ominaisuudet. Yleinen sääntö yksiseinäisen nanoputken johtavuustyypin määrittämiseksi.

5. Hiilinanoputkien käyttöalueet.

6. Menetelmät nanoputkien valmistamiseksi: grafiitin lämpöhajoamismenetelmä kaaripurkauksessa, grafiitin laserhaihdutusmenetelmä, kemiallisen höyrypinnoitusmenetelmä.

Kirjallisuus

1. Harris, P. Hiilinanoputket ja niihin liittyvät rakenteet. Uudet materiaalit XXI-luvulta. / P. Harris - M.: Teknosfääri, 2003.-336 s.

2. Eletsky, A. V. Hiilinanoputket / A. V. Eletsky // Advances in Physical Sciences. – 1997.- T 167, nro 9 – s. 945 - 972

3. Bobrinetsky, I. I. Hiilinanoputkiin perustuvien tasomaisten rakenteiden sähköisten ominaisuuksien muodostuminen ja tutkimus. Väitös teknisten tieteiden kandidaatin tutkinnosta// I.I. Bobrinetsky. – Moskova, 2004.-145 s.

Bernaerts D. et al./ teoksessa Fullereenien ja johdannaisten fysiikka ja kemia (Toim. H. Kusmany et al.) – Singapore, World Scientific. – 1995. – s. 551

Thes A. et ai. /Tiede. - 1996. - 273 - s. 483

Wind, S. J. Hiilinanoputkien kenttäefektitransistorien vertikaalinen skaalaus käyttämällä yläporttielektrodeja / S. J. Wind, Appenzeller J., Martel R., Derycke ja Avouris P. // Appl. Phys. Lett. - 2002.- 80. P.3817.

Tans S.J., Devoret M.H., Dai H. // Nature.1997. V.386. P.474-477.

Hiilinanoputkien löytäjän uskotaan olevan japanilaisen NEC-yhtiön Sumio Iijima työntekijä, joka vuonna 1991 tarkkaili moniseinäisten nanoputkien rakenteita tutkiessaan elektronimikroskoopilla sedimenttejä, jotka muodostuivat puhtaiden molekyylimuotojen synteesin aikana. hiiltä, ​​jolla on solurakenne.

Luokittelu

Nanoputkien pääluokitus perustuu niiden muodostavien kerrosten lukumäärään.

Yksiseinäiset nanoputket(yksiseinäiset nanoputket, SNWT:t) ovat yksinkertaisin nanoputkityyppi. Useimpien halkaisija on noin 1 nm ja pituus voi olla useita tuhansia kertoja suurempi. Yksiseinäisten nanoputkien rakenne voidaan kuvitella "käärimään" saumattomaksi sylinteriksi kuusikulmaisen grafiittiverkoston (grafeenin), jonka perustana ovat kuusikulmiot, joissa on kulmien kärjessä sijaitsevat hiiliatomit. Putkien yläpäät on suljettu puolipallon muotoisilla korkilla, joiden jokainen kerros koostuu kuusikulmioista ja viisikulmioista, jotka muistuttavat puolikkaan fullereenimolekyylin rakennetta.

Kuva 1. Graafinen esitys yksiseinäisestä nanoputkesta

Moniseinäiset nanoputket(moniseinäiset nanoputket, MWNT:t) koostuvat useista grafeenikerroksista, jotka on taitettu putken muotoon. Kerrosten välinen etäisyys on 0,34 nm, eli sama kuin kiteisen grafiitin kerrosten välinen etäisyys.

Niiden rakenteen kuvaamiseen käytetään kahta mallia. Moniseinäiset nanoputket voivat olla useita yksiseinäisiä nanoputkia, jotka on sijoitettu sisäkkäin (ns. "matryoshka"). Toisessa tapauksessa yksi grafeeni "arkki" kietoutuu itsensä ympärille useita kertoja, kuten pergamentin tai sanomalehden rullaus ("pergamentti"-malli).

Kuva 2. Graafinen esitys moniseinämäisestä nanoputkesta (matryoshka-malli)

Synteesimenetelmät

Yleisimmät nanoputkien syntetisointimenetelmät ovat sähkökaarimenetelmä, laserablaatio ja kemiallinen höyrypinnoitus (CVD).

Valokaaripurkaus - Tämän menetelmän ydin on hiilinanoputkien saaminen kaaripurkausplasmaan, joka palaa heliumilmakehässä fullereenien tuotantoon tarkoitetuissa teknologisissa laitteistoissa. Tässä käytetään kuitenkin muita kaaripolttomuotoja: alhainen kaaripurkausvirtatiheys, korkeampi heliumin paine (~ 500 Torr), halkaisijaltaan suurempi katodi.

Nanoputkien saannon lisäämiseksi sputterointituotteissa syötetään katalyyttiä (rautaryhmän metallien seos) grafiittisauvaan, inertin kaasun painetta ja sputterointitapaa muutetaan.

Nanoputkien pitoisuus katodikerrostumassa saavuttaa 60 %. Tuloksena olevat nanoputket, joiden pituus on jopa 40 mikronia, kasvavat katodista kohtisuorassa sen pintaan nähden ja yhdistetään sylinterimäisiksi nipuiksi, joiden halkaisija on noin 50 km.

Laser ablaatio

Tämän menetelmän keksi Richard Smalley ja yhteistyökumppanit Rice Universitystä, ja se perustuu grafiittikohteen haihduttamiseen korkean lämpötilan reaktorissa. Nanoputket ilmestyvät reaktorin jäähtyneelle pinnalle grafiitin haihdutuskondensaattina. Vesijäähdytteinen pinta voidaan sisällyttää nanoputkikeräysjärjestelmään.

Tuotteen saanto tässä menetelmässä on noin 70 %. Sitä käytetään pääasiassa yksiseinäisten hiilinanoputkien valmistukseen, joiden halkaisijaa säätelee reaktiolämpötila. Tämän menetelmän kustannukset ovat kuitenkin paljon kalliimpia kuin muut.

Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD)

Katalyyttisen hiilen höyrypinnoitusmenetelmä keksittiin jo vuonna 1959, mutta vuoteen 1993 asti kukaan ei uskonut, että nanoputkia voitaisiin saada tästä prosessista.

Tämän menetelmän prosessissa substraatti valmistetaan kerroksella katalyyttiä - metallihiukkasia (useimmiten nikkeliä, kobolttia, rautaa tai niiden yhdistelmiä). Tällä tavalla kasvatettujen nanoputkien halkaisija riippuu metallihiukkasten koosta.

Alusta kuumennetaan noin 700 °C:seen. Nanoputken kasvun käynnistämiseksi reaktoriin syötetään kahdentyyppisiä kaasuja: prosessikaasua (esim. ammoniakki, typpi, vety jne.) ja hiiltä sisältävä kaasu (asyleeni, eteeni, etanoli, metaani jne.). Nanoputket alkavat kasvaa metallikatalyyttien alueilla.

Tämä mekanismi on yleisin kaupallinen menetelmä hiilinanoputkien valmistamiseksi. CVD on muiden nanoputkien valmistusmenetelmien joukossa lupaavin teollisessa mittakaavassa yksikköhinnan parhaan suhteen ansiosta. Lisäksi se mahdollistaa pystysuuntaisten nanoputkien saamisen halutulle alustalle ilman lisäkeräystä sekä niiden kasvun säätelyn katalyytin avulla.

Käyttöalueet

Hiilinanoputket yhdessä fullereenien ja mesohuokoisten hiilirakenteiden kanssa muodostavat uuden luokan hiilinanomateriaaleja tai hiilirunkoja, joiden ominaisuudet eroavat merkittävästi muista hiilen muodoista, kuten grafiitista ja timantista. Lupaavimpia niistä ovat kuitenkin nanoputket.

Kiinnostaako nanomateriaaliliiketoiminta? Sitten saatat olla kiinnostunut

Johdanto

Vain 15-20 vuotta sitten monet eivät edes ajatelleet piin mahdollista korvaamista. Harva olisi voinut kuvitella, että jo 2000-luvun alussa alkaa todellinen "nanometrikilpailu" puolijohdeyritysten välillä. Asteittainen lähentyminen nanomaailmaan saa meidät miettimään, mitä tapahtuu seuraavaksi? Jatkuuko kuuluisa Mooren laki? Kehittyneempiin tuotantostandardeihin siirtymisen myötä kehittäjät kohtaavatkin yhä monimutkaisempia tehtäviä. Monet asiantuntijat ovat yleensä taipuvaisia ​​uskomaan, että tusinassa tai kahdessa vuodessa pii lähestyy fyysisesti ylitsepääsemätöntä rajaa, jolloin ohuempia piirakenteita ei enää voida luoda.

Tuoreen tutkimuksen perusteella yksi todennäköisimmistä (mutta ei suinkaan ainoista) ehdokkaista "piin korvikkeiden" asemaan ovat hiilipohjaiset materiaalit - hiilinanoputket ja grafeeni - joista oletettavasti voi muodostua tulevaisuuden nanoelektroniikan perusta. . Halusimme puhua niistä tässä artikkelissa. Tai pikemminkin puhumme edelleen enemmän nanoputkista, koska ne hankittiin aikaisemmin ja tutkittiin paremmin. Grafeeniin liittyy paljon vähemmän kehitystä, mutta tämä ei millään tavalla vähennä sen etuja. Jotkut tutkijat uskovat, että grafeeni on lupaavampi materiaali kuin hiilinanoputket, joten sanomme siitä myös muutaman sanan tänään. Lisäksi jotkut tutkijoiden saavutukset, jotka tapahtuivat äskettäin, antavat hieman optimismia.

Itse asiassa on erittäin vaikeaa kattaa kaikkia saavutuksia näillä aktiivisesti kehittyvillä alueilla yhdessä artikkelissa, joten keskitymme vain viime kuukausien tärkeimpiin tapahtumiin. Artikkelin tarkoituksena on esitellä lukijoille lyhyesti tärkeimmät ja mielenkiintoisimmat viimeaikaiset saavutukset ”hiilinanoelektroniikan” alalla ja lupaavia sen sovellusalueita. Kiinnostuneille ei pitäisi olla vaikeaa löytää paljon yksityiskohtaisempaa tietoa tästä aiheesta (etenkin englannin kielen taidolla).

Hiilinanoputket

Sen jälkeen kun hiilen kolmeen perinteiseen allotrooppiseen muotoon (grafiitti, timantti ja karbiini) lisättiin yksi (fullereeni) lisää, muutaman seuraavan vuoden aikana tutkimuslaboratorioista tuli lukuisia raportteja erilaisten hiilipohjaisten rakenteiden löytämisestä ja tutkimuksesta. mielenkiintoisia ominaisuuksia, kuten nanoputket, nanorenkaat, ultradispersiset materiaalit jne.

Ensinnäkin olemme kiinnostuneita hiilinanoputkista - ontoista pitkänomaisista sylinterimäisistä rakenteista, joiden halkaisija on luokkaa muutamasta kymmeneen nanometriin (perinteisten nanoputkien pituus lasketaan mikroneina, vaikka laboratorioissa rakenteet, joiden pituus on luokkaa millimetrejä ja jopa senttimetrejä on jo saatu). Nämä nanorakenteet voidaan kuvitella seuraavasti: otamme yksinkertaisesti grafiittitasokaistaleen ja rullaamme sen sylinteriksi. Tietenkin tämä on vain kuvaannollinen esitys. Todellisuudessa ei ole mahdollista saada suoraan grafiittitasoa ja kiertää sitä "putkeksi". Hiilinanoputkien valmistusmenetelmät ovat melko monimutkainen ja laaja tekninen ongelma, ja niiden tarkastelu ei kuulu tämän artikkelin piiriin.

Hiilinanoputkille on ominaista laaja valikoima muotoja. Ne voivat olla esimerkiksi yksiseinäisiä tai moniseinäisiä (yksi- tai monikerroksisia), suoria tai spiraalimaisia, pitkiä ja lyhyitä jne. Tärkeää on, että nanoputket osoittautuivat epätavallisen vahvoiksi jännityksessä ja taipumisessa. Suurten mekaanisten jännitysten vaikutuksesta nanoputket eivät repeydy tai murtu, vaan niiden rakenne yksinkertaisesti järjestyy uudelleen. Muuten, koska puhumme nanoputkien lujuudesta, on mielenkiintoista huomata yksi viimeisimmistä tutkimuksista tämän ominaisuuden luonteesta.

Rice Universityn tutkijat Boris Jacobsonin johdolla ovat havainneet, että hiilinanoputket käyttäytyvät "älykkäinä, itsestään paranevina rakenteina" (tutkimus julkaistiin 16. helmikuuta 2007 Physical Review Letters -lehdessä). Siten nanoputket pystyvät "korjaamaan" itsensä kriittisessä mekaanisessa rasituksessa ja lämpötilamuutosten tai radioaktiivisen säteilyn aiheuttamissa muodonmuutoksissa. Osoittautuu, että 6-hiilisolujen lisäksi nanoputket sisältävät myös viiden ja seitsemän atomin klustereita. Nämä 5/7-atomin solut käyttäytyvät epätavallisesti, ja ne liikkuvat syklisesti hiilinanoputken pintaa pitkin kuin höyrylaivat merellä. Kun vauriokohdassa tapahtuu vaurioita, nämä solut osallistuvat "haavan paranemiseen" jakamalla uudelleen energiaa.

Lisäksi nanoputket osoittavat monia odottamattomia sähköisiä, magneettisia ja optisia ominaisuuksia, joista on jo tullut useiden tutkimusten kohteita. Hiilinanoputkien erityispiirre on niiden sähkönjohtavuus, joka osoittautui korkeammaksi kuin kaikkien tunnettujen johtimien. Niillä on myös erinomainen lämmönjohtavuus, ne ovat kemiallisesti stabiileja ja mikä mielenkiintoisinta, voivat saada puolijohdeominaisuuksia. Elektronisten ominaisuuksien osalta hiilinanoputket voivat käyttäytyä metallien tai puolijohteiden tavoin, mikä määräytyy hiilimonikulmion suuntauksen perusteella putken akseliin nähden.

Nanoputket pyrkivät tarttumaan tiukasti toisiinsa muodostaen metalli- ja puolijohteenanoputkista koostuvia ryhmiä. Tähän asti vaikea tehtävä on ollut vain puolijohdenanoputkien ryhmän synteesi tai puolijohteenanoputkien erottaminen metallisista. Tutustumme uusimpiin tapoihin tämän ongelman ratkaisemiseksi edelleen.

Grafeeni

Grafeeni, verrattuna hiilinanoputkiin, saatiin paljon myöhemmin. Ehkä tämä selittää sen, että grafeenista kuulemme uutisissa edelleen paljon harvemmin kuin hiilinanoputkista, koska sitä on vähemmän tutkittu. Mutta tämä ei vähennä lainkaan sen ansioita. Muuten, pari viikkoa sitten grafeeni nousi tieteellisissä piireissä valokeilaan tutkijoiden uuden kehityksen ansiosta. Mutta siitä lisää myöhemmin, mutta nyt vähän historiaa.

Lokakuussa 2004 BBC News -tietolähde kertoi, että professori Andre Geim ja hänen kollegansa Manchesterin yliopistosta (Yhdistynyt kuningaskunta) onnistuivat yhdessä tohtori Novoselovin (Tšernogolovka, Venäjä) ryhmän kanssa saamaan yhden hiiliatomin paksuisen materiaalin. Sitä kutsutaan grafeeniksi, ja se on kaksiulotteinen litteä hiilimolekyyli, joka on yhden atomin paksuinen. Ensimmäistä kertaa maailmassa oli mahdollista erottaa atomikerros grafiittikiteestä.

Samaan aikaan Geim ja hänen tiiminsä ehdottivat niin sanottua ballistista transistoria, joka perustuu grafeeniin. Grafeenin avulla voidaan luoda transistoreja ja muita puolijohdelaitteita, joiden mitat ovat hyvin pienet (muutaman nanometrin luokkaa). Transistorikanavan pituuden pienentäminen johtaa sen ominaisuuksien muutokseen. Nanomaailmassa kvanttiefektien rooli kasvaa. Elektronit liikkuvat kanavaa pitkin de Broglie-aaltona, mikä vähentää törmäysten määrää ja lisää vastaavasti transistorin energiatehokkuutta.

Grafeenia voidaan pitää "taittautuneena" hiilinanoputkena. Elektronien lisääntynyt liikkuvuus tekee siitä yhden nanoelektroniikan lupaavimpia materiaaleja. Koska grafeenin hankinnasta on kulunut alle kolme vuotta, sen ominaisuuksia ei ole vielä tutkittu kovin hyvin. Mutta ensimmäiset mielenkiintoiset kokeiden tulokset ovat jo saatavilla.

Uusimmat Carbon Advances

Koska tutustuimme ensin hiilinanoputkiin (kronologisesti ne saatiin ensimmäisinä), aloitamme artikkelin tässä osassa myös niistä. Sinulla saattaa luultavasti olla seuraava kysymys: jos hiilinanoputket ovat niin hyviä ja lupaavia, miksi niitä ei ole vielä otettu massatuotantoon?

Yksi suurimmista ongelmista mainittiin jo artikkelin alussa. Menetelmää, jolla syntetisoidaan vain tietyt ominaisuudet, muoto ja mitat omaavista nanoputkista koostuva taulukko, joka voitaisiin ottaa käyttöön massatuotantoon, ei ole vielä luotu. Enemmän huomiota kiinnitetään puolijohde- ja metalliominaisuuksilla omaavista nanoputkista koostuvan ”sekoitetun” ryhmän lajitteluun (yhtä tärkeää on myös lajittelu pituuden ja halkaisijan mukaan). Tässä on syytä muistaa yksi ensimmäisistä kehityssuunnista tällä IBM:lle kuuluvalla alueella, jonka jälkeen siirrytään uusimpiin saavutuksiin.

Huhtikuussa 2001 julkaistussa paperissa "Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits With Electrical Breakdown" kerrotaan, että IBM:n tutkijat ovat ensimmäistä kertaa rakentaneet transistorin, joka perustuu hiilinanoputkiin, joiden halkaisija on 1 nanometri ja pituus mikrometrien luokkaa. Huomio kiinnitettiin siihen, että he onnistuivat löytämään tavan tehdä tällainen tuotantomassa tulevaisuudessa.

IBM:n tutkijat kehittivät menetelmän, jonka avulla he pystyivät tuhoamaan kaikki metallinanoputket jättäen puolijohteet ennalleen. Ensimmäisessä vaiheessa joukko nanoputkia asetetaan piidioksidisubstraatille. Seuraavaksi elektrodit muodostetaan nanoputkien päälle. Piisubstraatti toimii pohjaelektrodina ja auttaa sulkemaan puolijohteenanoputket. Seuraavaksi syötetään ylijännitettä. Tämän seurauksena "suojaamattomat" nanoputket, joilla on metallisia ominaisuuksia, tuhoutuvat, kun taas puolijohteenanoputket pysyvät vahingoittumattomina.

Mutta tämä kaikki on yksinkertaista sanoin, mutta todellisuudessa itse prosessi näyttää paljon monimutkaisemmalta. Suunnitelmien mukaan kehitys valmistuu 3-4 vuodessa (eli 2004/2005 mennessä), mutta kuten näemme, tämän tekniikan käyttöönotosta ei ole vielä raportoitu.

Nyt siirrytään nykyhetkeen eli viime vuoden loppusyksyyn. Sitten Technology Review -sivusto raportoi uudesta menetelmästä hiilinanoputkien lajitteluun, jonka ovat kehittäneet Northwestern Universityn tutkijat. Johtaviin ominaisuuksiin perustuvan erottelun lisäksi tämä menetelmä mahdollistaa myös nanoputkien lajittelun niiden halkaisijan perusteella.

On kummallista, että alkuperäinen tavoite oli lajitella vain halkaisijan mukaan, mutta kyky lajitella sähkönjohtavuuden mukaan tuli yllätyksenä tutkijoille itselleen. Montrealin yliopiston (Montreal, Kanada) kemian professori Richard Martel totesi, että uutta lajittelumenetelmää voidaan kutsua suureksi läpimurroksi tällä alalla.

Uusi lajittelumenetelmä perustuu ultrasentrifugointiin, jossa materiaalia pyöritetään valtavilla nopeuksilla, jopa 64 tuhatta kierrosta minuutissa. Sitä ennen nanoputkisarjalle levitetään pinta-aktiivista ainetta, joka ultrasentrifugoinnin jälkeen jakautuu epätasaisesti nanoputkien halkaisijan ja sähkönjohtavuuden mukaan. Yksi uuteen menetelmään läheisesti tutustuneista, Floridan yliopisto Gainesvillessä, professori Andrew Rinzler, sanoi, että ehdotettu lajittelumenetelmä mahdollistaa ryhmän, jonka puolijohdeputkien pitoisuus on 99 % tai enemmän.

Uutta tekniikkaa on jo käytetty kokeellisiin tarkoituksiin. Lajiteltujen puolijohdenanoputkien avulla on luotu suhteellisen yksinkertaisia ​​rakenteellisia transistoreita, joilla voidaan ohjata pikseleitä näyttöpaneeleissa ja televisioissa.

Muuten, toisin kuin IBM-menetelmässä, jolloin metallinanoputket yksinkertaisesti tuhottiin, Northwestern Universityn tutkijat voivat ultrasentrifugoinnilla saada metallinanoputkia, joita voidaan käyttää myös elektronisissa laitteissa. Niitä voidaan esimerkiksi käyttää läpinäkyvinä elektrodeina tietyntyyppisissä näytöissä ja orgaanisissa aurinkokennoissa.

Emme ota kantaa muihin nanoputkien käyttöönottoa haittaaviin ongelmiin, kuten tekniset vaikeudet integroinnissa sarjaelektroniikkalaitteisiin, sekä merkittävät energiahäviöt metallin ja nanoputkien risteyksessä, mikä johtuu suuresta kosketusresistanssista. Todennäköisesti näiden vakavien aiheiden paljastaminen näyttää keskivertolukijalle epämiellyttävältä ja liian monimutkaiselta, ja se voi myös viedä useita sivuja.

Mitä tulee grafeeniin, alamme todennäköisesti tarkastella saavutuksia tällä alalla viime vuoden keväällä. Huhtikuussa 2006 Science Express julkaisi julkaisun grafeenin ominaisuuksia koskevasta perustutkimuksesta, jonka suoritti joukko tutkijoita Georgian teknologiainstituutista (GIT), USA:sta ja Ranskan kansallisesta tieteellisestä tutkimuskeskuksesta (Centre National de la Recherche). Tieteellinen).

Työn ensimmäinen tärkeä opinnäytetyö: grafeenipohjaisia ​​elektroniikkapiirejä voidaan valmistaa perinteisillä puolijohdeteollisuudessa käytetyillä laitteilla. GIT-instituutin professori Walt de Heer tiivisti tutkimuksen onnistumisen seuraavasti: "Olemme osoittaneet, että voimme luoda grafeenimateriaalia, "leikata" grafeenirakenteita ja myös, että grafeenilla on erinomaiset sähköiset ominaisuudet. Tälle materiaalille on ominaista korkea elektronien liikkuvuus."

Monet tiedemiehet ja tutkijat itse sanovat luoneensa perustan (perustan) grafeenielektroniikolle. On huomattava, että hiilinanoputket ovat vasta ensimmäinen askel nanoelektroniikan maailmaan. Walt de Heer ja hänen kollegansa näkevät grafeenin tulevaisuuden elektroniikassa. On huomionarvoista, että tutkimusta tukee Intel, eikä se tuhlaa rahaa.

Kuvaamme nyt lyhyesti Walt de Heerin ja hänen kollegoidensa ehdottaman menetelmän grafeenin ja grafeenimikropiirien valmistamiseksi. Kuumentamalla piikarbidisubstraattia korkeassa tyhjiössä tutkijat pakottavat piiatomit poistumaan alustasta jättäen jäljelle vain ohuen kerroksen hiiliatomeja (grafeenia). Seuraavassa vaiheessa he levittävät fotoresistimateriaalia (fotoresisti) ja käyttävät perinteistä elektronisuihkulitografiaa haluttujen "kuvioiden" etsaukseen, eli käyttävät nykyään laajalti käytettyjä valmistustekniikoita. Tämä on grafeenin merkittävä etu nanoputkiin verrattuna.

Tuloksena tutkijat pystyivät syövyttämään 80 nm:n nanorakenteita. Tällä tavalla luotiin grafeenikenttätransistori. Vakava haittapuoli voidaan kutsua luodun laitteen suuriksi vuotovirroiksi, vaikka tämä ei häirinnyt tutkijoita ollenkaan. He uskoivat, että tämä oli alkuvaiheessa täysin normaali ilmiö. Lisäksi on luotu täysin toimiva kvanttihäiriölaite, jolla voidaan ohjata elektronisia aaltoja.

Viime kevään jälkeen ei ole havaittu huhtikuun kehityksen kaltaisia ​​suuria saavutuksia. Ne eivät ainakaan näkyneet Internet-sivustojen sivuilla. Mutta tämän vuoden helmikuuta leimasi useita tapahtumia kerralla, ja se sai meidät jälleen ajattelemaan "grafeeninäkymiä".

Viime kuun alussa AMO (AMO nanoelectronics group) esitteli kehitystään osana ALEGRA-projektia. AMO:n insinöörit onnistuivat luomaan grafeenitransistorin, jossa on yläportitettu transistori, mikä tekee niiden rakenteesta samanlaisen kuin nykyaikaiset piikenttätransistorit (MOSFET). Mielenkiintoista on, että grafeenitransistori luotiin käyttämällä perinteistä CMOS-valmistustekniikkaa.

Toisin kuin metallioksidi-puolijohde-kenttätransistorit (MOS), AMO:n insinöörien luomille grafeenitransistoreille on ominaista suurempi elektronien liikkuvuus ja kytkentänopeus. Valitettavasti kehitystä ei tässä vaiheessa julkisteta. Ensimmäiset yksityiskohdat julkaistaan ​​tämän vuoden huhtikuussa IEEE Electron Device Letters -lehdessä.

Nyt siirrymme toiseen "tuoreeseen" kehitykseen - grafeenitransistoriin, joka toimii yksielektronisena puolijohdelaitteena. On mielenkiintoista, että tämän laitteen luojat ovat professori Geim, venäläinen tiedemies Konstantin Novoselov ja muut meille jo tutut.

Tässä transistorissa on alueita, joissa sähkövaraus kvantisoituu. Tässä tapauksessa havaitaan Coulombin salpauksen vaikutus (kun elektroni siirtyy, ilmaantuu jännite, joka estää seuraavien hiukkasten liikkeen; se hylkii varauksellaan toisia hiukkasia. Tätä ilmiötä kutsuttiin Coulombin estämiseksi. Eston vuoksi seuraava elektroni kulkee vain, kun edellinen siirtyy pois siirtymästä, joten hiukkaset voivat "hyppää" vasta tietyn ajan kuluttua). Tämän seurauksena vain yksi elektroni voi kulkea vain muutaman nanometrin leveän transistorikanavan läpi. Toisin sanoen on mahdollista ohjata puolijohdelaitteita vain yhdellä elektronilla.

Kyky hallita yksittäisiä elektroneja avaa uusia mahdollisuuksia elektroniikkapiirien suunnittelijoille. Tämän seurauksena hilajännitettä voidaan vähentää merkittävästi. Yksiperustuvat laitteet erottuvat korkeasta herkkyydestä ja erinomaisesta nopeussuorituskyvystä. Tietenkin mitat myös pienenevät suuruusluokkaa. Tärkeintä on, että Walt de Heerin grafeenitransistorin prototyypille tyypillinen vakava ongelma - suuret vuotovirrat - on voitettu.

Haluan huomauttaa, että yksielektronilaitteita on aiemmin luotu perinteisellä piillä. Mutta ongelmana on, että useimmat niistä voivat toimia vain hyvin matalissa lämpötiloissa (vaikkakin on jo näytteitä, jotka toimivat huoneenlämmössä, mutta ne ovat paljon suurempia kuin grafeenitransistorit). Geimin ja hänen kollegoidensa ideat voivat helposti toimia huoneenlämmössä.

Hiilinanomateriaalien käytön näkymät

Todennäköisesti tämä artikkelin osa on mielenkiintoisin lukijoille. Loppujen lopuksi teoria on yksi asia, mutta tieteellisten saavutusten ilmentymisen ihmisille hyödyllisissä todellisissa laitteissa, jopa prototyypeissä, pitäisi kiinnostaa kuluttajaa. Yleisesti ottaen hiilinanoputkien ja grafeenin mahdolliset sovellukset ovat varsin monipuolisia, mutta meitä kiinnostaa ensisijaisesti elektroniikan maailma. Haluan heti huomauttaa, että grafeeni on "nuorempi" hiilimateriaali ja on vasta tutkimuspolunsa alussa, joten tässä artikkelin osassa päähuomio kiinnitetään hiilinanoputkiin perustuviin laitteisiin ja teknologioihin.

Näytöt

Hiilinanoputkien käyttö näytöissä liittyy läheisesti FED (Field Emission Display) -tekniikkaan, jonka ranskalainen LETI kehitti ja joka esiteltiin ensimmäisen kerran jo vuonna 1991. Toisin kuin CRT:t, jotka käyttävät jopa kolmea niin kutsuttua "kuumaa" katodia, FED-näytöt käyttivät alun perin useiden "kylmien" katodien matriisia. Kuten kävi ilmi, liian korkea vikaprosentti teki FED-näytöistä kilpailukyvyttömiä. Lisäksi vuosina 1997-1998 nestekidepaneelien kustannuksissa oli taipumus laskea merkittävästi, mikä, kuten silloin näytti, ei jättänyt FED-teknologialle mahdollisuuksia.

LETI-yhtiön aivotuote sai "toisen tuulen" viime vuosisadan lopulla, kun ensimmäiset FED-näyttöjen tutkimukset ilmestyivät, joissa ehdotettiin hiilinanoputkien käyttämistä katodeina. Useat suuret valmistajat ovat osoittaneet kiinnostusta hiilinanoputkiin perustuviin näytöihin, mukaan lukien tunnetut yritykset Samsung, Motorola, Fujitsu, Canon, Toshiba, Philips, LG, Hitachi, Pioneer ja muut. Kuvassa näet yhden vaihtoehdoista FED-näyttöjen toteuttamiseksi SDNT-hiilinanoputkissa (halkaisijaltaan pieni hiilinanoputki, halkaisijaltaan pieni hiilinanoputki).

On huomattava, että hiilinanoputkiin perustuvat FED-näytöt voivat kilpailla nykyaikaisten suuren diagonaalien paneelien kanssa ja aiheuttavat tulevaisuudessa vakavaa kilpailua ensisijaisesti plasmapaneeleille (nykyään ne hallitsevat alaa erittäin suurilla diagonaaleilla). Tärkeintä on, että hiilinanoputket vähentävät merkittävästi FED-näyttöjen tuotantokustannuksia.

Nanoputkien FED-näyttöjen maailman tuoreimmista uutisista kannattaa muistaa Motorolan äskettäinen viesti, jonka mukaan sen kehitys on melkein valmis lähtemään tutkimuslaboratorioiden seinistä ja siirtymään massatuotantovaiheeseen. Mielenkiintoista on, että Motorola ei aio rakentaa omia tehtaita nanoputkinäyttöjen tuotantoa varten ja on parhaillaan lisensointineuvotteluissa useiden valmistajien kanssa. Motorolan tutkimus- ja kehitysjohtaja James Jaskie huomautti, että kaksi aasialaista yritystä rakentaa jo tehtaita tuottamaan hiilinanoputkiin perustuvia näyttöjä. Joten nanoputkinäytöt eivät ole niin kaukainen tulevaisuus, ja on aika ottaa ne vakavasti.

Yksi Motorolan insinöörien vaikeista tehtävistä oli luoda matalan lämpötilan menetelmä hiilinanoputkien valmistamiseksi alustalle (jotta lasisubstraatti ei sulaisi). Ja tämä teknologinen este on jo voitettu. On myös raportoitu, että nanoputkien lajittelumenetelmien kehittäminen on saatu onnistuneesti päätökseen, mistä on tullut "ylipääsemätön este" monille tällä alalla toimiville yrityksille.

DiplaySearchin johtaja Steve Jurichich uskoo, että on liian aikaista iloita Motorolasta. Loppujen lopuksi meidän on vielä valloitava markkinat, joilla nestekidenäyttö- ja plasmapaneelien valmistajat ovat jo ottaneet paikkansa "auringon alla". Emme saa unohtaa muita lupaavia teknologioita, kuten OLED (orgaaniset valodiodinäytöt), QD-LED (kvanttipiste-LED, ns. kvanttipisteitä käyttävä LED-näyttö, jonka on kehittänyt amerikkalainen QD Vision). . Lisäksi Motorola saattaa kohdata tulevaisuudessa kovaa kilpailua Samsung Electronicsin taholta ja yhteisprojektin, jossa esitellään Canonin ja Toshiban nanoputkinäyttöjä (he muuten suunnittelevat aloittavansa ensimmäisten nanoputkinäyttöjen toimituksen tämän vuoden loppuun mennessä).

Hiilinanoputket ovat löytäneet sovelluksen paitsi FED-näytöissä. Regroupement Quebecois sur les Materiaux de Pointen (Quebec, Kanada) laboratorion tutkijat ehdottivat yksiseinäisiin hiilinanoputkiin perustuvan materiaalin käyttöä OLED-näyttöjen elektrodeina. Nano Technology World -verkkosivuston mukaan uusi tekniikka mahdollistaa erittäin ohuen sähköisen paperin luomisen. Nanoputkien suuren lujuuden ja elektrodiryhmän äärimmäisen ohuen paksuuden ansiosta OLED-näytöt voivat olla erittäin joustavia ja niiden läpinäkyvyys on korkea.

Muisti

Ennen kuin aloitan tarinan muistialan mielenkiintoisimmista "hiili"-kehityksistä, haluaisin huomauttaa, että tiedontallennustekniikoiden tutkimus yleisesti ottaen on tällä hetkellä yksi aktiivisimmin kehittyvistä alueista. Äskettäinen Consumer Electronic Show (Las Vegas) ja CeBIT Hannoverissa osoittivat, että kiinnostus erilaisia ​​asemia ja tiedontallennusjärjestelmiä kohtaan ei laantu ajan myötä, vaan vain lisääntyy. Ja tämä ei ole yllättävää. Ajatelkaapa: analyyttisen organisaation IDC:n mukaan vuonna 2006 tuotettiin noin 161 miljardia gigatavua tietoa (161 eksatavua), mikä on kymmeniä kertoja enemmän kuin aikaisempina vuosina!

Kuluneen 2006 aikana voi vain ihmetellä tutkijoiden kekseliäitä ideoita. Mitä emme ole nähneet: kultananohiukkasiin perustuva muisti, suprajohteisiin perustuva muisti ja jopa muisti... viruksiin ja bakteereihin perustuva! Viime aikoina uutisissa on puhuttu yhä useammin haihtumattomista muistitekniikoista, kuten MRAM, FRAM, PRAM ja muut, jotka eivät ole enää vain "paperia" tai esittelyprototyyppejä, vaan täysin toimivia laitteita. Joten hiilinanoputkiin perustuvat muistitekniikat ovat vain pieni osa tiedon tallentamiseen omistetusta tutkimuksesta.

Aloitetaan tarinamme "nanoputkimuistista" alallaan jo varsin tunnetuksi tulleen Nanteron kehityksellä. Kaikki alkoi jo vuonna 2001, jolloin nuorelle yritykselle houkutteltiin suuria investointeja, jotka mahdollistivat uudentyyppisen hiilinanoputkiin perustuvan haihtumattoman NRAM-muistin aktiivisen kehittämisen. Olemme nähneet Nanterosta merkittäviä kehityskulkuja kuluneen vuoden aikana. Huhtikuussa 2006 yhtiö ilmoitti luovansa NRAM-muistikytkimen, joka on valmistettu 22 nm:n standardien mukaan. Nanteron omistamien kehityshankkeiden lisäksi uuden laitteen luomiseen otettiin mukaan olemassa olevia tuotantotekniikoita. Saman vuoden toukokuussa sen teknologia hiilinanoputkiin perustuvien laitteiden luomiseksi integroitiin onnistuneesti CMOS-tuotantoon LSI Logic Corporationin laitteilla (ON Semiconductorin tehtaalla).

Vuoden 2006 lopussa tapahtui merkittävä tapahtuma. Nastero ilmoitti, että se on voittanut kaikki suuret teknologiset esteet, jotka estävät hiilinanoputkisirujen massatuotannon perinteisillä laitteilla. Nanoputkien kerrostamiseksi piisubstraatille on kehitetty menetelmä tunnetulla menetelmällä kuten spin-coating, jonka jälkeen käytetään puolijohteiden valmistuksessa perinteistä litografiaa ja syövytystä. Yksi NRAM-muistin eduista on sen korkea luku-/kirjoitusnopeus.

Emme kuitenkaan syvenny teknisiin yksityiskohtiin. Huomautan vain, että tällaiset saavutukset antavat Nanterolle kaikki syyt luottaa menestykseen. Jos yrityksen insinöörit onnistuvat saamaan kehityksen loogiseen päätökseen ja NRAM-sirujen tuotanto ei ole kovin kallista (ja mahdollisuus käyttää olemassa olevia laitteita antaa meille oikeuden toivoa tätä), niin olemme todistamassa uuden syntymistä. valtava ase muistimarkkinoilla, joka voi syrjäyttää vakavasti olemassa olevat muistityypit, mukaan lukien SRAM, DRAM, NAND, NOR jne.

Kuten monilla muillakin tieteen ja teknologian aloilla, hiilinanoputkien muistitutkimusta eivät tee vain kaupalliset yritykset, kuten Nantero, vaan myös johtavien oppilaitosten laboratoriot ympäri maailmaa. Mielenkiintoisista "hiilimuistille" omistetuista teoksista haluaisin mainita Hongkongin ammattikorkeakoulun työntekijöiden kehityksen, joka julkaistiin viime vuoden huhtikuussa Applied Physics Letters -verkkojulkaisun sivuilla.

Toisin kuin monet samanlaiset mallit, jotka toimivat vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa, fyysikkojen Jiyan Dai ja X. B. Lu luoma laite voi toimia huoneenlämmössä. Hongkongin tutkijoiden haihtumaton muisti ei ole yhtä nopea kuin Nanteron NRAM, joten se ei todennäköisesti onnistu syrjäyttämään DRAM-muistia. Mutta sitä voidaan pitää mahdollisena korvaajana perinteiselle flash-muistille.

Ymmärtääksesi yleisesti tämän muistin toimintaperiaatteen, katso vain alla olevaa kuvaa (b). Hiilinanoputket (CNT, hiilinanoputket) toimivat varauksen varastointikerroksena. Ne asetetaan kahden HfAlO-kerroksen väliin (joka koostuu hafniumista, alumiinista ja hapesta), jotka toimivat ohjausporttina ja oksidikerroksena. Tämä koko rakenne on sijoitettu piisubstraatille.

Melko omaperäistä ratkaisua ehdottivat korealaiset tiedemiehet Jeong Won Kang ja Qing Jiang. He onnistuivat kehittämään muistia, joka perustuu niin kutsuttuihin teleskooppisiin nanoputkiin. Uuden kehityksen taustalla oleva periaate löydettiin jo vuonna 2002, ja se kuvattiin teoksessa "Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillaators". Sen kirjoittajat pystyivät toteamaan, että nanoputki, johon on upotettu toinen halkaisijaltaan pienempi nanoputki, muodostaa oskillaattorin, joka saavuttaa gigahertsin luokkaa olevan värähtelytaajuuden.

Muihin nanoputkiin upotettujen nanoputkien suuri liukunopeus määrää uudentyyppisen muistin nopeuden. Yong Won Kang ja Kin Yan väittävät, että heidän kehitystään voidaan käyttää paitsi flash-muistina, myös nopeana RAM-muistina. Muistin toiminnan periaate on helppo ymmärtää kuvan perusteella.

Kuten näet, kahden elektrodin väliin sijoitetaan pari sisäkkäisiä nanoputkia. Kun varaus kohdistetaan johonkin elektrodista, sisempi nanoputki liikkuu suuntaan tai toiseen van der Waalsin voimien vaikutuksesta. Tällä kehityksellä on yksi merkittävä haittapuoli: näyte tällaisesta muistista voi toimia vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Tiedemiehet ovat kuitenkin vakuuttuneita siitä, että nämä ongelmat ovat tilapäisiä ja ne voidaan ratkaista seuraavissa tutkimuksen vaiheissa.

Luonnollisesti monet kehityssuunnat jäävät kuolleena. Loppujen lopuksi laboratorio-olosuhteissa toimiva prototyyppi on yksi asia, mutta tekniikan kaupallistamisen tiellä on aina monia vaikeuksia, ei vain puhtaasti teknisiä, vaan myös aineellisia. Joka tapauksessa olemassa oleva työ herättää optimismia ja on varsin informatiivinen.

Prosessorit

Nyt haaveillaan siitä, millainen hiilen tulevaisuus voi odottaa prosessoreja. Prosessoriteollisuuden jättiläiset etsivät aktiivisesti uusia tapoja laajentaa Gordon Moore Actia, ja vuosi vuodelta se on heille yhä vaikeampaa. Puolijohdeelementtien koon ja sirulle sijoittamisen valtavan tiheyden pienentäminen joka kerta muodostaa erittäin vaikean tehtävän vähentää vuotovirtoja. Pääsuunnat tällaisten ongelmien ratkaisemiseen ovat puolijohdelaitteisiin käytettävien uusien materiaalien etsiminen ja muutokset niiden rakenteessa.

Kuten luultavasti tiedätte, IBM ja Intel ilmoittivat äskettäin lähes samanaikaisesti uusien materiaalien käytöstä luodakseen transistoreita, joita käytetään seuraavan sukupolven prosessoreissa. Materiaaleja, joilla on korkea dielektrisyysvakio (korkea k) hafniumiin perustuen, on ehdotettu hilaeristeeksi piidioksidin sijasta. Hilaelektrodia luotaessa pii korvataan metalliseoksilla.

Kuten näemme, nykyään pii ja siihen perustuvat materiaalit korvataan asteittain lupaavammilla yhdisteillä. Monet yritykset ovat miettineet piin vaihtamista jo pitkään. Suurimpia hiilinanoputkien ja grafeenin tutkimushankkeiden rahoittajia ovat IBM ja Intel.

Viime vuoden maaliskuun lopussa ryhmä IBM:n tutkijoita sekä kahdesta Floridan ja New Yorkin yliopistosta raportoi ensimmäisen täydellisen elektronisen integroidun piirin luomisesta, joka perustuu vain yhteen hiilinanoputkeen. Tämä piiri on viisi kertaa ohuempi kuin ihmisen hiuksen halkaisija, ja sitä voidaan tarkkailla vain tehokkaan elektronimikroskoopin läpi.

IBM:n tutkijat ovat saavuttaneet nopeuksia, jotka ovat lähes miljoona kertaa nopeampia kuin aikaisemmin moninanoputkimalleilla. Vaikka nämä nopeudet ovat edelleen pienempiä kuin nykyisillä piisiruilla, IBM:n tutkijat luottavat siihen, että uudet nanoteknologiaprosessit avaavat lopulta hiilinanoputkielektroniikan valtavat mahdollisuudet.

Kuten professori Joerg Appenzeller totesi, tutkijoiden luoma nanoputkipohjainen rengasoskillaattori on erinomainen työkalu hiilielektroniikkaelementtien ominaisuuksien tutkimiseen. K-rengasoskillaattori on piiri, jota sirujen valmistajat tyypillisesti käyttävät testatakseen uusien valmistusprosessien tai materiaalien ominaisuuksia. Tämä viitekehys auttaa ennustamaan, miten uudet teknologiat käyttäytyvät valmiissa tuotteissa.

Intel on myös tutkinut hiilinanoputkien mahdollista käyttöä prosessoreissa suhteellisen pitkään. Se, että Intel ei ole välinpitämätön nanoputkien suhteen, tuli mieleen äskettäin järjestetyssä Symposium for the American Vacuum Society -tapahtumassa, jossa keskusteltiin aktiivisesti yhtiön viimeisimmistä saavutuksista tällä alalla.

Muuten, prototyyppisiru on jo kehitetty, jossa hiilinanoputkia käytetään liitäntöinä. Kuten tiedetään. siirtyminen tarkempiin standardeihin merkitsee liitäntäjohtimien sähkövastuksen kasvua.90-luvun lopulla mikrosirujen valmistajat siirtyivät käyttämään kuparijohtimia alumiinin sijaan. Mutta viime vuosina jopa kupari ei ole enää tyydyttänyt prosessorivalmistajia, ja he valmistelevat vähitellen korvaavaa sitä.

Yksi lupaavista alueista on hiilinanoputkien käyttö. Muuten, kuten mainitsimme artikkelin alussa, hiilinanoputkilla ei ole vain metallia parempi johtavuus, vaan ne voivat myös toimia puolijohteina. Näin ollen näyttää realistiselta, että jatkossa pii voidaan korvata kokonaan prosessoreissa ja muissa mikropiireissä ja luoda kokonaan hiilinanoputkista valmistettuja siruja.

Toisaalta on myös liian aikaista "haudata" piitä. Ensinnäkin piin täydellinen korvaaminen hiilinanoputkilla mikropiireissä ei todennäköisesti tapahdu seuraavan vuosikymmenen aikana. Ja onnistuneen kehityksen kirjoittajat itse panevat merkille. Toiseksi piillä on myös näkymiä. Hiilinanoputkien lisäksi piillä on tulevaisuutta myös nanoelektroniikassa - piinanolankojen, nanoputkien, nanopisteiden ja muiden rakenteiden muodossa, joita myös tutkitaan monissa tutkimuslaboratorioissa.

Jälkisana

Lopuksi haluan lisätä, että tämä artikkeli onnistui kattamaan vain hyvin pienen osan siitä, mitä tällä hetkellä tapahtuu hiilinanoelektroniikan alalla. Kirkkaat mielet jatkavat kehittyneiden teknologioiden keksimistä, joista osa voi muodostua tulevaisuuden elektroniikan perustaksi. Jotkut ovat taipuvaisia ​​uskomaan, että nanorobotit, läpinäkyvät näytöt, ohueksi putkeksi rullattavat televisiot ja muut hämmästyttävät laitteet ovat tieteisfiktiota, ja niistä tulee todellisuutta vasta hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa. Mutta monet silmiinpistävät tutkimukset nykyään saavat meidät ajattelemaan, että kaikki nämä eivät ole niin kaukaisia ​​näkymiä.

Lisäksi tässä artikkelissa käsiteltyjen hiilinanoputkien ja grafeenin lisäksi molekyylielektroniikassa tapahtuu hämmästyttäviä löytöjä. Mielenkiintoista tutkimusta tehdään biologisen ja piimaailman välisen yhteyden alalla. Tietokoneteollisuuden kehityksellä on monia näkymiä. Ja luultavasti kukaan ei ennusta, mitä tapahtuu 10-15 vuoden kuluttua. Yksi asia on selvä: meitä odottaa monia muita jännittäviä löytöjä ja upeita laitteita.

Artikkelin kirjoittamisessa käytetyt tietolähteet

• [sähköposti suojattu] ()
• PhysOrg.com ()))
• IBM Research ()
• K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorjeva, A. A. Firsov. "Sähkökenttäefekti atomiohuissa hiilikalvoissa"
• K.S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov ja A.K. Geim "Kaksiulotteiset atomikiteet"
• Quanshui Zheng, Qing Jiang. "Moniseinäiset hiilinanoputket gigahertsioskillaattorina"

Energia on tärkeä toimiala, jolla on valtava rooli ihmisten elämässä. Maan energiatilanne riippuu monien tämän alan tutkijoiden työstä. Nykyään he etsivät näitä tarkoituksia, he ovat valmiita käyttämään mitä tahansa, auringonvalosta ja vedestä ilmaenergiaan. Se laite, joka pystyy tuottamaan energiaa ympäristöön, arvostetaan suuresti.

Yleistä tietoa

Hiilinanoputket ovat pitkiä, valssattuja grafiittitasoja, joilla on lieriömäinen muoto. Yleensä niiden paksuus saavuttaa useita kymmeniä nanometrejä, joiden pituus on useita senttimetrejä. Nanoputkien päähän muodostuu pallomainen pää, joka on yksi fullereenin osista.

Hiilinanoputkia on kahta tyyppiä: metallinen ja puolijohde. Niiden tärkein ero on virranjohtavuus. Ensimmäinen tyyppi voi johtaa virtaa lämpötilassa, joka on yhtä suuri kuin 0ºС, ja toinen - vain korotetuissa lämpötiloissa.

Hiilinanoputket: ominaisuudet

Useimmat nykyaikaiset alat, kuten sovellettu kemia tai nanoteknologia, liittyvät nanoputkiin, joissa on hiilirunkorakenne. Mikä se on? Tämä rakenne viittaa suuriin molekyyleihin, jotka ovat yhteydessä toisiinsa vain hiiliatomeilla. Hiilinanoputket, joiden ominaisuudet perustuvat suljettuun kuoreen, ovat erittäin arvostettuja. Lisäksi näillä muodostelmilla on lieriömäinen muoto. Tällaisia ​​putkia voidaan saada rullaamalla grafiittilevy tai kasvattaa tietystä katalyytistä. Hiilinanoputkilla, joiden valokuvat on esitetty alla, on epätavallinen rakenne.

Niitä on eri muotoisia ja kokoisia: yksikerroksisia ja monikerroksisia, suoria ja kaarevia. Huolimatta siitä, että nanoputket näyttävät melko haurailta, ne ovat vahvaa materiaalia. Monien tutkimusten tuloksena havaittiin, että niillä on ominaisuuksia, kuten venytys ja taivutus. Vakavien mekaanisten kuormien vaikutuksesta elementit eivät repeydy tai rikkoudu, eli ne voivat mukautua erilaisiin jännitteisiin.

Myrkyllisyys

Useiden tutkimusten tuloksena todettiin, että hiilinanoputket voivat aiheuttaa samoja ongelmia kuin asbestikuidut, eli esiintyy erilaisia ​​pahanlaatuisia kasvaimia sekä keuhkosyöpää. Asbestin negatiivisen vaikutuksen aste riippuu sen kuitujen tyypistä ja paksuudesta. Koska hiilinanoputket ovat painoltaan ja kooltaan pieniä, ne pääsevät helposti ihmiskehoon ilman mukana. Seuraavaksi ne tulevat keuhkopussiin ja rintakehään ja aiheuttavat ajan myötä erilaisia ​​​​komplikaatioita. Tutkijat suorittivat kokeen ja lisäsivät nanoputkihiukkasia hiirten ruokaan. Halkaisijaltaan pienet tuotteet eivät käytännössä viipyneet kehossa, vaan suuremmat kaivoivat mahan seinämiin ja aiheuttivat erilaisia ​​sairauksia.

Vastaanottomenetelmät

Nykyään hiilinanoputkien valmistamiseksi on olemassa seuraavat menetelmät: kaarivaraus, ablaatio, höyrypinnoitus.

Valokaaripurkaus. Saadaan (hiilinanoputkia kuvataan tässä artikkelissa) sähkövaraus plasmassa, joka palaa käyttämällä heliumia. Tämä prosessi voidaan suorittaa käyttämällä erityisiä teknisiä laitteita fullereenien valmistamiseksi. Mutta tämä menetelmä käyttää muita kaaripolttotiloja. Esimerkiksi sitä pienennetään ja käytetään myös valtavan paksuisia katodeja. Helium-ilmakehän luomiseksi on tarpeen lisätä tämän kemiallisen alkuaineen painetta. Hiilinanoputkia valmistetaan sputteroimalla. Jotta niiden lukumäärä kasvaisi, on tarpeen lisätä katalyytti grafiittisauvaan. Useimmiten se on sekoitus erilaisia ​​metalliryhmiä. Seuraavaksi paine- ja ruiskutusmenetelmä muuttuvat. Näin saadaan katodikerrostuma, jossa muodostuu hiilinanoputkia. Valmiit tuotteet kasvavat kohtisuoraan katodiin nähden ja kerätään nipuiksi. Ne ovat 40 mikronia pitkiä.

Ablaatio. Tämän menetelmän keksi Richard Smalley. Sen ydin on haihduttaa erilaisia ​​grafiittipintoja korkeissa lämpötiloissa toimivassa reaktorissa. Hiilinanoputket muodostuvat grafiitin haihduttamisesta reaktorin pohjalta.

Ne jäähdytetään ja kerätään jäähdytyspinnan avulla. Jos ensimmäisessä tapauksessa elementtien lukumäärä oli 60%, niin tällä menetelmällä luku kasvoi 10%. Laserabsolaatiomenetelmän kustannukset ovat kalliimpia kuin kaikki muut. Yksiseinäisiä nanoputkia saadaan pääsääntöisesti muuttamalla reaktiolämpötilaa.

Höyrysaostuminen. Hiilihöyrypinnoitusmenetelmä keksittiin 50-luvun lopulla. Mutta kukaan ei edes kuvitellut, että sitä voitaisiin käyttää hiilinanoputkien valmistukseen. Joten ensin sinun on valmisteltava pinta katalyytillä. Se voi olla eri metallien pieniä hiukkasia, esimerkiksi kobolttia, nikkeliä ja monia muita. Nanoputket alkavat nousta katalyyttikerroksesta. Niiden paksuus riippuu suoraan katalyyttimetallin koosta. Pinta kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin ja sitten syötetään hiiltä sisältävää kaasua. Niitä ovat metaani, asetyleeni, etanoli jne. Ammoniakki toimii teknisenä lisäkaasuna. Tämä nanoputkien valmistusmenetelmä on yleisin. Itse prosessi tapahtuu useissa teollisuusyrityksissä, minkä vuoksi useiden putkien valmistukseen käytetään vähemmän taloudellisia resursseja. Toinen tämän menetelmän etu on, että pystysuorat elementit voidaan saada mistä tahansa katalyyttinä toimivista metallihiukkasista. Tuotanto (hiilinanoputkia kuvataan kaikilta puolilta) mahdollisti Suomi Iijiman tutkimuksen ansiosta, joka tarkkaili niiden ilmaantumista mikroskoopilla hiilisynteesin seurauksena.

Päätyypit

Hiilielementit luokitellaan kerrosten lukumäärän mukaan. Yksinkertaisin tyyppi on yksiseinäiset hiilinanoputket. Jokainen niistä on noin 1 nm paksu, ja niiden pituus voi olla paljon suurempi. Jos tarkastelemme rakennetta, tuote näyttää grafiitin käärimiseltä kuusikulmaisella verkolla. Sen huipuissa on hiiliatomeja. Siten putkella on sylinterin muotoinen, jossa ei ole saumoja. Laitteiden yläosa on suljettu fullereenimolekyyleistä koostuvilla kansilla.

Seuraava tyyppi on moniseinäiset hiilinanoputket. Ne koostuvat useista grafiittikerroksista, jotka on taitettu sylinterin muotoiseksi. Niiden välinen etäisyys säilyy 0,34 nm. Tämän tyyppistä rakennetta kuvataan kahdella tavalla. Ensimmäisen mukaan monikerroksiset putket ovat useita sisäkkäisiä yksikerroksisia putkia, jotka näyttävät pesimältä. Toisen mukaan moniseinäiset nanoputket ovat grafiittilevyä, joka kiertyy itsensä ympärille useita kertoja, kuten taitettu sanomalehti.

Hiilinanoputket: sovellus

Elementit ovat nanomateriaalien luokan täysin uusi edustaja.

Kuten aiemmin mainittiin, niillä on runkorakenne, joka eroaa ominaisuuksiltaan grafiitista tai timantista. Siksi niitä käytetään paljon useammin kuin muita materiaaleja.

Ominaisuuksien, kuten lujuus, taivutus, johtavuus, vuoksi niitä käytetään monilla aloilla:

• polymeerien lisäaineina;
• katalysaattori valaistuslaitteille sekä litteät näytöt ja televiestintäverkkojen putket;
• sähkömagneettisten aaltojen absorboijana;
• energian muuntamiseen;
• anodien tuotanto erityyppisissä akuissa;
• vedyn varastointi;
• antureiden ja kondensaattorien valmistus;
• komposiittien valmistukseen ja niiden rakenteen ja ominaisuuksien vahvistamiseen.

Tieteellisessä tutkimuksessa on käytetty useiden vuosien ajan hiilinanoputkia, joiden sovellukset eivät rajoitu yhteen tiettyyn toimialaan. Tällä materiaalilla on heikko asema markkinoilla, koska suurtuotantoon liittyy ongelmia. Toinen tärkeä seikka on hiilinanoputkien korkea hinta, joka on noin 120 dollaria grammaa kohden tällaista ainetta.

Niitä käytetään peruselementtinä monien komposiittien valmistuksessa, joita käytetään monien urheiluvälineiden valmistukseen. Toinen toimiala on autoteollisuus. Hiilinanoputkien funktionalisointi tällä alueella johtuu johtavien ominaisuuksien antamisesta polymeereille.

Nanoputkien lämmönjohtavuuskerroin on melko korkea, joten niitä voidaan käyttää erilaisten massiivisten laitteiden jäähdytyslaitteena. Niitä käytetään myös anturiputkiin kiinnitettävien kärkien valmistukseen.

Tärkein sovellusalue on tietotekniikka. Nanoputkien ansiosta syntyy erityisen litteitä näyttöjä. Niiden avulla voit pienentää merkittävästi itse tietokoneen kokonaismittoja ja lisätä sen teknistä suorituskykyä. Valmiit laitteet ovat useita kertoja parempia kuin nykyiset tekniikat. Näiden tutkimusten perusteella voidaan luoda korkeajännitteisiä kuvaputkia.

Ajan myötä putkia tullaan käyttämään elektroniikan lisäksi myös lääketieteen ja energian alalla.

Tuotanto

Hiiliputket, joiden tuotanto on jaettu kahteen tyyppiin, jakautuvat epätasaisesti.

Toisin sanoen MWNT:itä tuotetaan paljon enemmän kuin SWNT:itä. Toinen tyyppi tehdään kiireelliseen tarpeeseen. Useat yritykset tuottavat jatkuvasti hiilinanoputkia. Mutta niillä ei käytännössä ole kysyntää, koska niiden kustannukset ovat liian korkeat.

Tuotantojohtajat

Nykyään johtava paikka hiilinanoputkien tuotannossa on Aasian mailla, jotka ovat 3 kertaa korkeammat kuin muissa Euroopan ja Amerikan maissa. Erityisesti Japani harjoittaa MWNT:iden tuotantoa. Mutta muut maat, kuten Korea ja Kiina, eivät ole millään tavalla huonompia tässä indikaattorissa.

Tuotanto Venäjällä

Hiilinanoputkien kotimainen tuotanto on huomattavasti jäljessä muista maista. Itse asiassa kaikki riippuu tällä alalla tehtävän tutkimuksen laadusta. Täällä ei ole osoitettu tarpeeksi taloudellisia resursseja tieteellisten ja teknologisten keskusten perustamiseen maahan. Monet ihmiset eivät hyväksy nanoteknologian kehitystä, koska he eivät tiedä, miten sitä voidaan käyttää teollisuudessa. Siksi talouden siirtyminen uudelle tielle on melko vaikeaa.

Siksi Venäjän presidentti antoi asetuksen, joka osoitti nanoteknologian eri alueiden kehityspolut, mukaan lukien hiilielementit. Näitä tarkoituksia varten luotiin erityinen kehitys- ja teknologiaohjelma.

Rusnanotech-yritys perustettiin varmistaakseen, että tilauksen kaikki kohdat toteutettiin. Sen toimintaan osoitettiin valtion budjetista merkittävä summa. Hän on se, joka valvoo hiilinanoputkien kehittämistä, tuotantoa ja teollista toteutusta. Myönnetty määrä käytetään erilaisten tutkimuslaitosten ja laboratorioiden perustamiseen, ja se vahvistaa myös kotimaisten tutkijoiden olemassa olevaa työtä. Näillä varoilla hankitaan myös korkealaatuisia laitteita hiilinanoputkien tuotantoon. On myös syytä huolehtia niistä laitteista, jotka suojaavat ihmisten terveyttä, koska tämä materiaali aiheuttaa monia sairauksia.

Kuten aiemmin mainittiin, koko ongelma on varojen kerääminen. Suurin osa sijoittajista ei halua investoida tieteelliseen kehitykseen, etenkään pitkäksi aikaa. Kaikki liikemiehet haluavat voittoja, mutta nanokehitys voi kestää vuosia. Tämä hylkää pienten ja keskisuurten yritysten edustajat. Lisäksi nanomateriaalien tuotantoa ei voida täysin käynnistää ilman valtion investointeja.

Toinen ongelma on oikeudellisen kehyksen puute, koska yritystoiminnan eri tasojen välillä ei ole välistä yhteyttä. Siksi hiilinanoputket, joiden tuotanto ei ole Venäjällä kysyntää, vaativat paitsi taloudellisia, myös henkisiä investointeja. Toistaiseksi Venäjän federaatio on kaukana Aasian maista, jotka ovat johtavia nanoteknologian kehittämisessä.

Nykyään tämän alan kehitystyötä tehdään eri yliopistojen kemian tiedekunnissa Moskovassa, Tambovissa, Pietarissa, Novosibirskissä ja Kazanissa. Johtavat hiilinanoputkien valmistajat ovat Granat-yhtiö ja Tambovin tehdas Komsomolets.

Positiiviset ja negatiiviset puolet

Etujen joukossa ovat hiilinanoputkien erityisominaisuudet. Ne ovat kestävää materiaalia, joka ei hajoa mekaanisessa rasituksessa. Lisäksi ne toimivat hyvin taivutuksessa ja venyttelyssä. Tämä oli mahdollista suljetun runkorakenteen ansiosta. Niiden käyttö ei rajoitu yhteen toimialaan. Putket ovat löytäneet käyttöä autoteollisuudessa, elektroniikassa, lääketieteessä ja energiassa.

Valtava haittapuoli on kielteinen vaikutus ihmisten terveyteen.

Nanoputkien hiukkaset, jotka pääsevät ihmiskehoon, johtavat pahanlaatuisten kasvainten ja syövän esiintymiseen.

Olennainen näkökohta on tämän teollisuuden rahoitus. Monet ihmiset eivät halua investoida tieteeseen, koska tuoton saaminen vie paljon aikaa. Ja ilman tutkimuslaboratorioiden toimintaa nanoteknologian kehittäminen on mahdotonta.

Johtopäätös

Hiilinanoputkilla on tärkeä rooli innovatiivisissa teknologioissa. Monet asiantuntijat ennustavat tämän alan kasvua tulevina vuosina. Tuotantokapasiteetti kasvaa merkittävästi, mikä johtaa tavaroiden kustannusten laskuun. Laskevien hintojen myötä putkien kysyntä tulee olemaan suuri ja niistä tulee välttämätön materiaali monille laitteille ja laitteille.

Joten saimme selville, mitä nämä tuotteet ovat.

Vahvempi kuin vyörengas? Kaikki viittaa siihen, että TUBALL-hiilinanoputkien ilmaantuminen rengasteollisuuteen luo vielä suuremman teknisen vallankumouksen kuin piin ilmaantuminen 90-luvulla, ja sitä voidaan verrata vyörenkaan löytämiseen sodan jälkeen. Ei edes suuri määrä nämä hämmästyttävän pienet putket, joiden halkaisija on yksi nanometri (metrin miljardisosa) ja joiden seinämät ovat vain yhden (!) hiiliatomin paksuisia, voivat parantaa minkä tahansa kumin suorituskykyä uskomattomassa mittakaavassa. Tämän Siperian sydämessä syntyneen keksinnön historia on yhtä mahtava kuin alkuperäinenkin.

Vuonna 1945 ydinpommia käytettiin ensimmäistä kertaa historiassa. Silloin ihmiset oppivat, että aine on valtavan energian varasto. Siinä vaiheessa päävaikeudeksi osoittautui - oikea energianotto. Tarve työskennellä hiilinanoputkien kanssa atomitasolla tekee niistä sekä ominaisuuksiltaan epätavallisia että vaikeasti syntetisoitavia.

Jotta ei kuolisi idiootiksi...

Sellaisen edistyneen teknologian tutkiminen minimaalisella tiedolla takaa sen, että et ymmärrä tästä tutkimuksesta mitään, vaikka luulet tietäväsi mitä hiili on. Todennäköisesti yli 500 000 vuotta sitten esi-isämme alkoivat käyttää sitä lämmitykseen tai ruoanlaittoon puuhiilellä. Noin 3 vuosisataa sitten hiilen (kiven) ja höyrykoneen käytön alkaminen merkitsi teollisen aikakauden tuloa. Tällä esihistoriallisella ajanjaksolla hiilen historiassa ei kuitenkaan ole mitään tekemistä modernin nanokemian kanssa...

Yleisesti ottaen kaikki, mikä kasvaa ja elää maan päällä, riippuu hiilestä. Ja ihminen, joka on 65 % vettä, 3 % typpeä, 18 % hiiltä ja 10 % vetyä, on täydellinen esimerkki tästä. Luonnossa on yli miljoona yhdistettä, jotka on valmistettu hiilen ja vedyn yhdistelmästä, emme saa unohtaa, että hiilen jälkeen pääasiallinen energianlähde meille on hiilivedyt: yleensäkään ilman korvaamatonta hiiltä ei tule niin helppoa. .

Luonnollisessa tilassaan sillä on vain kaksi kiteistä ja hyvin erilaista muotoa: timantti ja grafiitti. Ensimmäinen on arvostettu, äärimmäisen harvinainen ja kova materiaali, toinen on kosketukseltaan rasvaista, paljon vähemmän ainutlaatuista hiiltä, ​​jota louhitaan noin puolitoista miljoonaa tonnia vuodessa. Harvat ihmiset tietävät, että timantti ajan myötä (erittäin pitkän ajan!) hajoaa grafiitiksi, joka on viime kädessä stabiilin hiilen muoto. Tämä musta tai harmaa mineraali on meille hyvin tuttu, kannattaa muistaa esimerkiksi kiinalainen muste tai lyijykynä. Nykyään grafiitti auttaa muun muassa varmistamaan ydinvoimalaitosten turvallisuuden ja antaa meille myös miljoonia sähköakkuja. Juuri hän on kiistaton esi-isä kaikenlaisille hiiliatomeista muodostuville rakenteille, joita ihminen myöhemmin luo.

Mikrometristä...

Sellaiset hyödylliset voiteluominaisuudet grafiitilla, joka muistuttaa rakenteeltaan hiilen "siankärkiä" tai "tuhatkerrosta", johtuvat kerrosten helppoudesta liukua päällekkäin. Nämä litteät ja erittäin ohuet kerrokset ovat muotoiltu "hunajakennolle", joka koostuu tiiviisti pakkautuneista kuusikulmaisista renkaista, joiden yläosassa on hiiliatomi, joka on sitoutunut kolmeen naapuriinsa. On jopa yhden atomin paksuisia kerroksia! Tämä erityinen rakenne helpottaa (kaikki on suhteellista!) päästä käsiksi hiiliatomiin. Grafiitin valtava potentiaali on ollut tiedossa jo pitkään, mutta grafiitin kaikkien myönteisten ominaisuuksien käyttöä vaikeuttavat monet ongelmat, joita syntyy työskenneltäessä grafiitin kanssa atomitasolla. Ensimmäinen sudenkuoppa on, että sellaiset rakenteet voidaan nähdä selvästi vasta uusien tehokkaiden korkearesoluutioisten elektronimikroskooppien syntymisen jälkeen.

Aluksi kemistit tarkastelivat hiiltä sen helppouden kautta, jolla se muutettiin kuiduksi. Yhdistämällä pitkiä ja litteitä mikrokiteitä ja kohdistamalla ne yhdensuuntaisia ​​linjoja pitkin, on mahdollista syntetisoida kuituja, joiden halkaisija on 5-10 mikronia. Näiden hiilikuitujen 1, 3, 6, 12, 24, 48 tuhannen kokoonpano riippuen käyttötarkoituksesta, johon ne on tarkoitettu,
auttaa syntetisoimaan yllättävän vahvoja lankoja niiden painottomuudesta huolimatta. Pyrkiessään rakentamaan uudelleen sodan vahingoittamaa tekstiiliteollisuutta japanilaiset alkoivat kehittää hiilikuitua vuonna 1959. Ensimmäisestä tutkimuskeskuksesta tulee myöhemmin Toray, joka on edelleen yksi maailman suurimmista yrityksistä.

Nopea katsaus yksiseinäisten nanoputkien poikkeuksellisiin ominaisuuksiin: ne johtavat paremmin kuin kupari, ovat viisi kertaa kevyempiä ja 100 kertaa vahvempia kuin teräs, ovat miljoona kertaa pidempiä kuin niiden halkaisija ja 1 gramma kehittynyttä pinta-alaa kattaa alueen 2 koripallokenttää!

Nämä uudet kuidut eivät olleet täysin sopivia perinteisiin tekstiileihin, mutta poikkeuksellisten mekaanisten ominaisuuksiensa vuoksi ne saivat nopeasti arvostuksen sotilas- ja lentoteollisuudessa. Nykyään uusimman sukupolven siviililentokone koostuu yli 50 % hiilikuidusta, eikä A380 pystyisi lentämään ollenkaan ilman sen apua... Ja kaikkialla missä tarvitaan tehokkuutta ja keveyttä - urheiluvälineissä, purjeveneissä ja kilpa-autoissa , proteesit jne. .d. – Ilman hiilikuitua ei enää tule toimeen.

...nanometriin

Meidän piti kuitenkin odottaa vuoteen 1985, jolloin ihminen loi hiilen kolmannen kiteisen muodon, tällä kertaa täysin keinotekoiset fullereenit. Mittakaava muuttuu radikaalisti ja alkaa sukellus äärettömän pienten määrien syvyyksiin; kuidun mikroni korvataan nanometrillä. Etuliite "nano" ("nain" kreikaksi) tarkoittaa metrin miljardisosaa. Kun pelaat atomeilla nanometrin asteikolla, sinun on jaettava mikronit 1000:lla! Fullereenien löytö tapahtui laboratoriossa, kun astrofyysikot yrittivät löytää vastausta kysymykseen avaruudesta löydettyjen pitkien hiiltä sisältävien ketjujen alkuperän luonteesta.

Käyttäen tietämystään molekyyleistä, jotka rajoittuvat kaksiulotteisiin litteisiin grafiittikerroksiin, kemistit pystyivät luomaan uusia 3D-molekyylejä, jotka olivat edelleen 100-prosenttisesti hiiltä, ​​mutta saivat monipuolisempia ja mielenkiintoisempia muotoja: palloja, ellipsoideja, putkia, renkaita jne. d. Mitä luomismenetelmää käytettiin? Grafiittikiekon haihdutus neutraalissa ympäristössä laserablaatiolla hyvin erityisissä olosuhteissa. Idea itsessään, kuten myös sen toteutus, ei ole kaikkien kykyjen mukainen... Tämä tunnustettiin virallisesti vuonna 1996, jolloin kemian Nobelin palkinto myönnettiin angloamerikkalaiselle keksijäryhmälle, johon kuuluivat Kroto, Curl, Smalley . Ja se oli reilua.

Ensimmäinen tämän sukupolven menetelmällä saatu tuote oli alun perin jalkapallon muotoinen! Kuten pallo, rakenne oli jaettu 20 kuusikulmioon, ja aivan kuten grafiitti, se oli yhdistetty 12 viisikulmioon. Tämä C60-niminen rakenne on vain 0,7 nanometriä paksu ja sen sisätila on vain yksi nanometri, mikä on 200 miljoonaa kertaa pienempi kuin todellinen jalkapallopallo! Kuitenkin juuri tämä ominaisuus, joka liittyy tutkimusryhmän anglosaksiseen kulttuuriin, johtaa tuotteelle hyvin omaperäisen nimen antamiseen. Geodeettisten pallojen keksijän arkkitehti Buckminster Fullerin kunniaksi C60:tä kutsuttiin jonkin aikaa "futballeeniksi", sitten siitä tuli ensimmäinen buckminsterfullereeni, ja se lyhennettiin myöhemmin (onneksi!) fullereeniksi.

Kun ovi innovatiivisen materiaalin luomiselle avattiin, prosessi alkoi: lukuisat tutkimusryhmät ryntäsivät hankkimaan fullereeneja keksien erilaisia ​​menetelmiä sen synteesiin. Laaja valikoima fullereenimuotoja alkoi ilmestyä, tehokkaampia kuin aikaisemmat, joiden ominaisuudet olivat yhtä monipuolisia kuin erinomaisia! Nykyään uskotaan, että fulleroneja on yli 250 000 tyyppiä (ja tämä ei ole loppu!), joista voi olla hyötyä millä tahansa teollisuudella: lääkkeissä, kosmetiikassa, elektroniikassa, aurinkosähköissä, voiteluaineissa jne. Nanohiukkaset ovat rahan jälkeen eniten käytettyjä asioita maailmassa.

Ja sitten nanoputket ja lopulta grafeeni ilmestyvät.

C60:n jälkeen oli mahdollista saada "jalkapalloja", joissa oli 70, 76, 84, 100, 200 atomia ja jopa 20, ja tämä oli vasta alkua. Lämpötilan vaikutuksesta hiilimolekyylit jakautuvat (sinun on vain opittava tekemään tämä), ja niiden muodostavat atomit yhdistyvät uudelleen äärettömässä muodossa, ja näyttää siltä, ​​​​että mikä tahansa konfiguraatio on mahdollinen. Pallot, megaputket, nanoputket, dimeerit, polymeerit, nanosipulit jne., valtava fullereenien perhe kasvaa jatkuvasti, mutta pienet nanoputket ovat edelleen päätoivona vakavalle teolliselle kehitykselle tähän päivään asti.

Jos 1959 ja 1985 ovat yleisesti hyväksyttyjä syntymäpäiviä hiilikuidulle ja fullereeneille, niin nanoputket ilmestyivät jossain vuosien 1991 ja 1993 välillä. Vuonna 1991 löytäjä, japanilainen Sumio Iijima (NEC) sai fullereenien synteesiä tutkiessaan ensimmäiset moniseinäiset nanoputket, joiden grafeenikerrosten lukumäärä vaihteli 2:sta 50:een. Hän sai ne uudelleen vuonna 1993. , mutta nyt nämä ovat yksiseinäisiä nanoputkia, ja samalla Donald S. Bethune, IBM, saavuttaa tämän, kukin omalla tavallaan.

Hiilen nykyhistorian tässä vaiheessa ilmaantuu materiaali, joka muodostaa yhden seinämän nanoputken seinämät, eli grafeenin. Tämä on kuuluisa kaksiulotteinen kide, jossa on litteä hunajakennomainen kerros ja vain yhden atomin paksuus, jonka kerrostuminen muodostaa grafiittia. Itse asiassa se, mikä vaikutti yksinkertaiselta sen luonnollisen alkuperän vuoksi, ei ollut sitä, joten jouduimme odottamaan vuoteen 2004, jolloin hollantilainen André Geim pystyi eristämään tämän atomin paksuisen maton (tai pikemminkin verkon?) yhdellä alkuperäisellä tavalla. Hän käytti ilmastointiteippiä kuorimaan ainetta kerros kerrokselta, kunnes hänellä oli 1 atomin paksuinen kerros. Tietenkin muita menetelmiä grafeenin tuottamiseen löydettiin, mutta tätä varten Game jakoi Nobelin vuonna 2010 venäläistä alkuperää olevan britti Konstantin Novoselovin kanssa, joka hänen tavoin työskenteli Isossa-Britanniassa.

Yleisesti hyväksytystä näkökulmasta katsottuna grafeeni mullistaa elämämme tulevaisuudessa. Joidenkin mielestä tämä on teknologinen shokki, joka on verrattavissa siirtymiseen pronssikaudesta rautakauteen! Grafeeni, joka on sekä joustava että joustava, johtaa sähköä paremmin kuin kupari. Väritön grafeeni on 6 kertaa kevyempi kuin teräs ja 100 tai jopa 300 kertaa vahvempi. Tämä ainutlaatuinen kaveri voi tehdä mitä tahansa: koostaan ​​​​huolimatta hän voi parantaa melkein kaikkea. Se on miljoona kertaa ohuempi kuin hiukset - 3 miljoonaa grafeenikerrosta päällekkäin, enintään 1 mm. Kuitenkin koko planeetta Euroopasta alkaen kuluttaa miljardeja oppiakseen syntetisoimaan tällaiset kerrokset vaaditun kokoisiksi kohtuullisin hinnoin. Valitettavasti kaikki eivät ole vielä onnistuneet saavuttamaan tätä!

Yksiseinäinen nanoputki

Tällä välin grafeenin sarjasynteesin käynnistämistä ei ole vahvistettu, toinen fullereenin muoto grafeeniseinämillä on alkanut saada vauhtia: nanoputki. Aluksi Iijima sai sen kahdella grafiittielektrodilla: kun sähkövirta muodostaa 6000 °C:n plasman: anodi (+) haihtuu ja katodille (-) muodostuu mustahko kerros, eli nanoputkia. Tämän menetelmän "sputterointi valokaaripurkausplasmassa" lisäksi on muita: korkeissa ja keskilämpötiloissa, kaasumaisessa tilassa. Tulokset ovat erilaisia, vaikka heti vapautumisensa jälkeen hiiliatomit alkavat välittömästi yhdistyä uudelleen muodostaen outoja muotoja. Siten suurin osa syntetisoiduista nanoputkista fullereeniperheen perillisinä on "suljettu" päistään yhdellä tai kahdella puolipallon muotoisella korkilla. Nämä "jalkapallon puolikkaat" voidaan säilyttää tai irrottaa putken avaamiseksi molemmista päistä ja täyttää se muilla tuotteilla ja tehdä siitä entistä kiinnostavampi.

Moniseinäiset nanoputket (MW, multiwall) muistuttavat rakenteeltaan venäläisiä pesiviä nukkeja: monta halkaisijaltaan pienenevää putkea, kierrettynä toisiinsa tai yksi kerros kierretty itsensä ympärille, kuten käärö. Solu- tai muissa 5- tai 7-sivuisissa rakenteissa on myös rakoja, reikiä ja joskus epäpuhtauksia, metallikatalyyttien saostumia, joita ei voida välttää tässä operaatiossa: silloin ennen tällaisten nanoputkien käyttöä on tarpeen puhdistaa tai palauttaa ne. Yksiseinäisillä (SW, single wall) voi myös olla hyvin erilaisia ​​rakenteita (kierteisiä tai ei), mikä antaa niille suuren edun mekaanisten tai sähköisten ominaisuuksien suhteen ja antaa niille johtimen tai puolijohteen ominaisuudet jne.

Nanoputkisynteesimenetelmän hallitseminen ei ole matka pitkää ja tyyniä jokea pitkin, vaan äärimmäisen monimutkainen prosessi, joka edellyttää työskentelyä erittäin pienellä ainemäärällä korkein kustannuksin. Vaikeuksia on edelleen paljon, ja niiden kiertäminen on edelleen erittäin vaikeaa.Tämä kävi selväksi vuonna 2013, kun kemianjätti Bayer menetti paljon rahaa sulkemalla, vain kolme vuotta avaamisen jälkeen, Leverkusenissa sijaitsevan tehtaansa synteesiä varten. 200 tonnia nanoputkia vuodessa. Vaikuttaa siltä, ​​että tähän päätökseen vaikutti tekninen (hiilikuitu ja kevlar ovat edelleen käytössä) ja kaupallinen kilpailu sekä kysynnän yliarviointi sekä sen volyymin että kasvuvauhdin osalta.

OCSiAl, piitaigan lapsi

Kuten monet suuret modernit keksinnöt, joissa on useita luojia, nanoputkien löytäminen ei johdu yksinomaan Iijimasta ja Bethunesta. Monet tiimit työskentelivät tämän asian parissa, joskus he eivät edes tunteneet toisiaan ja käyttivät erilaisia ​​​​menetelmiä. Asian historian lähempi tarkastelu osoittaa, että vuonna 1952 neuvostotieteilijät Raduškevitš ja Lukjanovitš tutkivat jo 50 nanometrin kokoisia putkia, ja vuonna 1976 Oberlin, Endo ja Koyama tutkivat onttoja kuituja ja yksiseinäisiä hiilinanoputkia (yksiseinämäinen nanohiili). putket, lyhennetty SWCNT). Vuonna 1981 Neuvostoliiton tutkijat kuvasivat kiertyviä grafeenia, yksiseinäisiä putkia 0,6-6 nm alueella.

Kylmä sota ja teollisuussalaisuuksien suojelu hidastivat nanoputkia koskevan tiedon leviämistä, mikä selittää OCSiAlin, venäläisen yrityksen, jonka kotipaikka on Akademgorodok, tutkimuskaupunki 20 km Novosibirskista, Siperian sydämessä. Sen suunnitteli ja loi vuonna 1957 akateemikko Lavrentjev, fysiikan ja matemaattisten tieteiden tohtori. Nikita Hruštšov holhosi parhaiden elin- ja työolojen luomista Neuvostoliiton tieteen eliitille. Neuvostoliiton romahtamisen vuoksi hylätty Academy Town syntyi myöhemmin uudelleen uudessa, nykyaikaisemmassa ja kapitalistisessa muodossa. Tämä 60 000 asukkaan kaupunki on nykyään maailmanluokan startup-yritysten koti. Vuonna 2006 sinne perustettiin uusi teknologiapuisto. Kehittyneiden yritysten dynamiikka, luovuus ja korkea keskittyminen antavat meille mahdollisuuden kutsua Academy Townia "Piitaigaksi" - analogisesti Kalifornian Piilaakson kanssa...

OCSiAl-nimi itsessään on vihje tärkeimpien alkuaineiden kemiallisista symboleista, joiden kanssa yritys työskentelee: O – happi, C6 – hiili sen atominumerolla 6, Si – pii, Al – alumiini.

Kolme muskettisoturia OCSiAl

Kuten perinne vaatii, OCSiAlin perustaja oli neljä muskettisoturia! Vaikka Mihail Predtechensky on virallisesti vain Senior Vice President, synteesiteknologian kirjoittaja, hän on silti yrityksen avainhenkilö ja tulevaisuuden mies. Juuri tämä tiedemies ja keksijä pystyi kehittämään "plasmokemiallisen" reaktorin, joka pystyi syntetisoimaan korkealaatuisia yksiseinäisiä hiilinanoputkia suurissa määrissä ja siksi markkinahinnoin, joita kukaan ei ole koskaan aiemmin onnistunut. Tähän edistyneimmän teknologian kantajaan kuuluvaan tiedemieheen liittyi kolme muuta saman korkean tason perustajaa, rahoittajaa ja johtajaa: Juri Igorevitš Koropatšinski, Oleg Igorevitš Kirilov, jotka asuvat nyt Israelissa. Juri Zelvensky. He pystyivät tunnistamaan globaalin markkinapotentiaalin (arviolta 3 miljardia dollaria!) ja keräämään OCSiAlin perustamiseen tarvittavat 350 miljoonaa dollaria vuonna 2009, ja vuonna 2013 he rekisteröivät patentit ja rakensivat "Graphetron 1.0" -reaktorin, joka pystyy syntetisoimaan 10 tonnia yksittäistä -seinämäisiä hiilinanoputkia vuodessa.

« Graphetron 1.0 "otettiin liikkeeseen vuonna 2014. Ja vuonna 2016 yrityksen palveluksessa oli jo 260 henkilöä, joista 100 henkilöä on Akademgorodokin laboratorioissa työskenteleviä korkeimman tason tutkijoita. Loput yrityksen henkilöstöstä ovat insinöörejä ja liikemiehiä, jotka myyvät nanoputkia TUBALL-brändillä ympäri maailmaa. Aluksi kaikille tärkeimmille markkinoille pääsyä varten toimistot avattiin Columbukseen, Incheoniin, Mumbaihin, Shenzheniin, Hongkongiin ja Moskovaan. Yrityksen pääkonttori sijaitsee Luxemburgissa. Tiimi koostuu eri profiilien asiantuntijoista, koska on olemassa suuri määrä toimialoja (ja hyvin erilaisia), joiden tuotteita TUBALL voi "stimuloida". Tekniset ja kaupalliset asiantuntijat luottavat TUBALLin laatuun ja monipuolisiin käyttömahdollisuuksiin. OCSiAlin markkinointi asettaa heille varsin korkean tavoitteen. Vuonna 2017 on tarkoitus käynnistää toinen reaktori, joka pystyy syntetisoimaan 50 tonnia vuodessa. Lyhyen aikavälin ennusteet ovat eksponentiaalisia, ja ne perustuvat 800 tonniin vuonna 2020 ja 3 000 tonniin vuonna 2022.

Ja jos kaksi ensimmäistä grafetronia alkavat syntetisoida kukin 60 tonnia Academgorodokissa vuonna 2018, kolmannen pitäisi teoriassa ilmestyä lähemmäs Eurooppaa ja sen päämarkkinoita. Ja koska perustiedot vaativat "paljon energiaa ja kaasua", tulevasta sijainnista lyödään jo vetoa: miksi ei Luxemburgiin, sillä yrityksen pääkonttori sijaitsee täällä?

Ilmeinen ylivoima

Tällaisia ​​ennusteita voidaan pitää liian optimistisina ja pelätä putoamista, kuten Bayer-yhtiön kanssa tapahtui, mutta Luxemburgissa kukaan ei pelkää sitä - TUBALLin yksiseinäiset hiilinanoputket ovat ominaisuuksiltaan niin paljon parempia kuin moniseinäiset nanoputket. . Näin uskovat Cristoph Siara, Ocsial Europen markkinointi- ja myyntijohtaja, ja Jean-Nicolas Helt, Lead Development and Customer Support, Elastomers, OCSiAl Europe. Christophe Siaran nimestä et voisi edes kertoa, että hän on saksalainen. Christophe oli koulutettu lakimieheksi. Hän on asunut Ranskassa vuodesta 1983, ja hänen uransa siirtyminen huippuluokan toimialalta toiselle on antanut hänelle asiantuntemusta monimutkaisimpien teknologioiden ymmärtämiseen. Kun Christophe Ciara puhuu nanoputkista, hänet voidaan luulla oikeaksi kemistiksi. Insinööri Jean-Nicolas Helt on Ranskasta. Hän sai tutkinnon ympäristön fysiikasta Nancyn yliopistosta ja sitten Orléansin ESEM:stä. Erinomaisen koulutuksensa ansiosta hän pääsi mukaan Goodyearin yritykseen Luxemburgissa. 17 toimintavuotensa aikana se voi ylpeillä useista merkittävistä saavutuksista raskaiden kuorma-autojen ja henkilöautojen rengasteollisuudessa. Vuonna 2015 hän liittyi OCSiAliin projektipäälliköksi ja oli se, joka sanoi, että TUBALL-nanoputket voisivat tuoda jotain arvokasta rengasteollisuudelle.

Christophe Siara selittää, että TUBALLin yksiseinäisten hiilinanoputkien ilmaantuminen on merkittävä läpimurto teollisuudelle verrattuna edeltäjiinsä, moniseinäisiin nanoputkiin. Nämä moniseinäiset nanoputket ovat halkaisijaltaan 25-40 nm ja ne koostuvat useista kierretyistä kerroksista. Ne ovat luonteeltaan melko jäykkiä, mikä on vaikuttanut negatiivisesti niiden mekaanisiin ominaisuuksiin. Toisin kuin moniseinäiset nanoputket, yksiseinäiset hiilinanoputket TUBALL ovat ohuita, luokkaa 1,5 nm ja erittäin pitkiä > 5 mikronia: "Ne ovat 3000 kertaa pidempiä kuin ne ovat leveitä, mikä käy selvemmin tästä esimerkistä: tämä on sinun puutarhakasteluletku 100 metriä pitkä!

Tämä tarkoittaa, että asiassa on myös kielellinen puoli, sillä nimet "serpentiini", "nuudelit", "ontto ja pitkä hiilikuitu" näyttävät paljon sopivammilta kuin putki. Mutta silti nanoputki on paljon yksinkertaisempi!

Muita näkökohtia, joissa TUBALLilla ei ole kilpailijoita: sen 1 nm paksu kerros on täysin sileää, amorfista hiiltä< 10 %, остаточные неорганические примеси (Fer) < 15 % заключены в капсулах, то есть не действуют. В отличие от своих конкурентов TUBALL не требует никакой очистки. Кроме того к отличительным чертам нанотрубок TUBALL можно отнести: содержание углерода >85 %, G/D-kaistasuhde (Raman-spektrometria) > 70, mikä vahvistaa erinomaisen johtavuuden. Kaikki tulokset ovat riippumattomien laboratorioiden vahvistamia, joista yksi on Intertek (toukokuu 2014).

Uskomaton kasvu ja merkittävä parannus kaikissa parametreissa synteettisestä nitriilikumista valmistetulla hermeettisellä tiivisteellä.

Kaikki on prosessissa

"Graphetron 1.0" Mihail Predtechensky on luultavasti yksi niistä koneista, jotka mullistavat 2000-luvun. Se on noin reaktorista, joka pystyy käsittelemään suuria määriä käyttämällä esiasteita ja edullisia katalyyttejä. Kuinka se toimii? Tämä on ehdoton salaisuus, joka on hyvin vartioitu. Christophe Siara ja Jean-Nicolas Helt vakuuttivat nauraen, etteivät tienneet tästä mitään eivätkä koskaan tietäisikään. Ja aivan ensimmäinen kaikista työllisyyspapereista, jotka he allekirjoittivat, kuten koko henkilökunta, oli salassapitosopimus! " Graphetron 1.0 "Näytetään tieteellisessä konferenssissa marraskuussa, mutta veikkaamme, että se ei anna meille mitään. Mutta mikä tärkeintä, se mahdollistaa korkealaatuisten yksiseinäisten hiilinanoputkien jatkuvan synteesin kohtuulliseen hintaan. On arvioitu, että nämä 10 tonnia vuodessa edustavat 90 prosenttia yksiseinäisten nanoputkien maailmanlaajuisesta synteesistä nykyään. Vuodesta 2017 alkaen yritys suunnittelee aloittavansa 50 tonnia lisää nanoputkien syntetisoinnin!

TUBALL-tuotteiden hinnat? – Tästä puhuminen on kiellettyä. Kauppasalaisuus. Vain yrityksen esitteet paljastavat sen: tuntuu, että tämä on hyvin kaukana oikeista arvioista, mutta antaa ainakin käsityksen likimääräiset kustannukset nanoputket: toimitus Novosibirskistä maksaa 8 dollaria grammalta pienestä tilauksesta ja 2 dollaria suuresta tilauksesta. OCSiAl vakuuttaa vaatimattomasti, että se on alentanut hintaa vähintään 25 kertaa.

Tämä kiihkeä kilpailu tuotantomäärien kasvattamiseksi selittyy TUBALLin monipuolisuudella. OCSiAl ei myy vain hiilinanoputkia, vaan lähes universaalia lisäainetta, joka pystyy tarjoamaan räjähdysmäisen kasvun noin 70 %:lle planeettamme hyödyllisistä materiaaleista.

Monipuolinen lisäaine, uskomaton suorituskyky

TUBALLin ominaisuuksien mainitseminen on käytännössä sama asia kuin splittien tekeminen: mitä pidemmälle sukellat vain mikroskoopilla näkyviin syvyyksiin, sitä korkeammalle pääset tehokkuuden huipulle! Käydään se läpi lyhyesti: sen lämpöstabiilisuus säilyy 1000°C:ssa, se on 100 kertaa vahvempi kuin teräs ja sen pinta-ala ylittää kaiken järkevän ymmärryksen: 1 gramma TUBALL-nanoputken kehittyneestä pinnasta peittää 2 koripallokenttää, eli 3000 m 2 .

Kaikesta tästä ei olisi mitään hyötyä ilman yhtä perusominaisuutta - sen hämmästyttävää hajoavuutta. Erittäin ohuiden ja pitkien putkien ansiosta TUBALL luo lukuisia verkostoja, jotka sekoittuvat näkymättömästi muihin elementteihin ja tekevät niistä vahvempia. Siten jokin naurettava TUBALL-tilavuus, 1/1 000 - 1/10 000 kokonaispainosta, riittää parantamaan materiaalin ominaisuuksia räjähdysmäisesti. Single Wall Nanotube (SW) on todellinen RATKAISU moniin 2000-luvun teknologisiin läpimurtoihin.

Pieni pullo, jossa on 1 gramma TUBALLia, jonka OCSiAl-yritys laittaa vierailijan käteen, jotta hän voi paremmin "arvioida" tuotetta, on 100% onnistumisen tae, kun sen sisällöstä aletaan puhua yksityiskohtaisesti: 1015 kappaletta, eli 1 000 000 000 000 000 ( miljoona miljardia) putkea! Jos ne sijoitettaisiin päästä päähän, tuloksena olisi noin 50 miljoonaa kilometriä!

OCSiAl esittelee lyhyesti kaiken, mihin TUBALL pystyy yhdessä kaaviossa muodossa kaunis kukka lukuisilla terälehdillä. Valitsemalla sen ominaisuudet, johtavuuden, lujuuden, kemiallisen neutraalisuuden, läpinäkyvyyden jne. tai yhdistämällä ne yhteen, avaat suuren määrän mahdollisia sovelluksia. TUBALL on todella se "universaalivahvistin", jota se väittää olevansa.

Ja johtavan lisäaineen käytön helpottamiseksi TUBALL-nanoputkia toimitetaan harvoin vain jauheena. Niitä tarjotaan paljon enemmän käteviä vaihtoehtoja käytettäväksi: nesteen, polymeerin, öljyn, kumin jne. muodossa. jopa liuottimissa olevan suspension muodossa. Tämä varmistaa helpon sekoittamisen ja levittämisen. Esimerkiksi 50 grammaa TUBALL-nanoputkia liuotettuna 50 kg:aan epoksihartsia tai polyesteriä antavat materiaaleille välittömästi johtavuuden, mikä on erittäin käytännöllistä jopa värjättäville lattioille!

Joustavuus – turvallisuus

Käyttövalmiilla tiivisteillä on toinen etu: ne takaavat turvallisuuden nanoputkien kanssa työskennellessä. Niiden ensisijainen muoto ja erittäin pieni koko mahdollistavat niiden pääsyn ihmiskehon solujen sydämeen, joten varotoimia on ryhdyttävä, vaikka hiili ei olisi myrkyllistä ihmisille. Matriisiin lisätyt nanoputket eivät voi haihtua ilmakehässä, mikä tekee niiden käytöstä turvallista ja rauhoittaa niitä, jotka pelkäävät syöpää aiheuttavia vaikutuksia, kuten asbestia. Maailman terveysjärjestö WHO ehdottaa, että nanoputket ovat samanlaisia ​​kuin kuidut. TUBALLin yksiseinäisten hiilinanoputkien ominaisuudet ovat kuitenkin hyvin erilaisia ​​kuin alussa mainitsemiemme moniseinäisten hiilinanoputkien ominaisuudet. "Jos moniseinäiset hiilinanoputket ovat golfmaila, TUBALLin yksiseinäiset hiilinanoputket ovat sprinkleriletkuja", tiivistää Christophe Ciara. Kiinteä muoto ja karheus mahdollistavat moniseinäisten hiilinanoputkien pääsyn soluun ja kiinnittymisen siihen. Mutta samaan aikaan moniseinäisten nanoputkien kova ja joustamaton muoto luo useita ongelmia, jotka voidaan välttää käyttämällä joustavia ja pitkiä yksiseinäisiä TUBALL-nanoputkia, jotka eivät ominaisuuksiensa vuoksi tunkeudu itse soluun .

OCSiAl on erittäin tarkkaavainen tämän ongelman tutkimuksessa, joten se seuraa kaikkea maailmassa tehtävää tutkimusta. Vuodesta 2008 lähtien yritys on valvonut erityisesti teollisuusstandardien kehittämisestä ja erityisesti tuotteiden ominaisuuksien määrittämisestä työntekijöiden turvallisuuden takaamiseksi vastaavan Saksan valtion instituutin BAuA:n työtä. TUBALL otettiin yksinkertaisimmassa muodossaan - jauheena, jonka ostaa 10% asiakkaista. Nanoputket ovat saaneet myönteisiä tuloksia niiden käytön turvallisuudesta ympäristölle. Oli vain yksi ongelma: nanoputkien ilmaa ei voitu puhdistaa suodattamalla, koska liian pienen koonsa vuoksi ne välttyivät kaikista tunnetuista materiaaleista! Sillä välin ratkaisun etsintä jatkuu (työskennellään sen parissa), OCSiAl ei unohda ennalta varautumisen periaatetta ja ehdottaa, että tehokkaita tyyppejä suojat, jotka sinänsä ovat jo pakollisia vaarallisimpien kemikaalien kanssa työskennellessä: koko kasvot peittävä naamio, haalarit, käsineet, saappaat. Aineen nestemäiselle koostumukselle riittävät lasit, käsineet ja haalarit.

OCSiAl välittää myös eheydestä elinkaari tuotteistaan. Uutiset ovat rohkaisevia, koska nanoputket jäävät sinne, kun ne on lisätty matriisiin ja sitten uusiin materiaaleihin. Saatuaan kaiken suojan mahdollisia vaaroja vastaan, TUBALL-nanoputkista tulee "normaali" kemiallinen reagenssi, jota koskevat äskettäin käyttöön otetut tiukimmat määräykset. OCSiAl sai siis ilolla, mutta ilman suurta yllätystä, lokakuussa REACH-sertifioinnin, jonka ansiosta se voi tästä lähtien toimittaa jopa 10 tonnia nanoputkia vuodessa Euroopan markkinoille.

Suuri rengasvallankumous

Siitä hetkestä lähtien, kun renkaat ilmestyivät, kaikki valmistajat ovat etsineet teknologioita, jotka voisivat parantaa materiaalin ominaisuuksia. Lisäaineista, kuten savesta ja talkista hiileen, pyrimme edelleen parantamaan renkaiden lujuutta. Piin ilmaantuminen vuonna 1991 muutti täysin nykyisen markkinatilanteen. Piin avulla kumille voidaan antaa universaalit mittasuhteet, jotka mukautuvat tiettyihin kuormituksiin.Piistä on tullut olennainen edellytys renkaiden suorituskyvylle, mutta kaikki tämä ei ole mitään verrattuna siihen jyrkäseen harppaukseen, joka tapahtuu TUBALLin tultua rengasteollisuudelle.

Jean-Nicolas Heltillä on yli 17 vuoden kokemus Goodyearista, joten hän on oikeassa. Kaavio sivulla 53 näyttää TUBALLin hajoamisen rengasseoksissa. Vasemmalla on kaksi mustaa hiilihiukkasta, jotka näyttävät olevan melko eristettyjä polymeerikuutiosta. Keskikuvassa tulokset tuotteen vahvistamisesta moniseinäisillä hiilinanoputkilla - melko lyhyitä, kovia ja pinottuina. Kuvasta katsottuna voit nähdä, että voitto osoittautui melko heikoksi ja tehottomaksi. Oikealla - TUBALL, jonka suhde on vain 1/1 000 kokonaispainoon, täyttää kuution 100 % erittäin tiheällä yksiseinäisten hiilinanoputkien verkostolla, jotka ovat tiiviisti kietoutuneet toisiinsa. Näin ollen tällä minitäyteaineella on suuri vahvistava vaikutus, koska se on hyvin strukturoitu ja mahdollistaa komponenttien paremman koheesion. Joka tapauksessa tällaisilla vahvistetuilla liitoksilla on parempi vaikutus, mikä vähentää komponenttien liikkuvuutta ja siten niiden kulumista. On aivan loogista, että tämä Yksiseinäisten hiilinanoputkien 3D-verkosto muodostaa toisen rungon renkaan kumiin, jolloin se hidastaa kulumisprosessia. Lisäksi TUBALL on kemiallisesti neutraali, joten se kestää paremmin lämpöä, ultraviolettisäteilyä ja hiilivetypäästöjä kuin muut lähtökomponentit.

"Ole varovainen", sanoo Jean-Nicolas Helt, "TUBALL käsittelee nokea aivan kuten piitä. Rengas säilyttää perusominaisuuksiensa, lisäksi kun siihen lisätään hyvin pieniä määriä yksiseinäisiä hiilinanoputkia, ominaisuudet alkavat parantua merkittävästi. Toinen TUBALLin etu on seettä se on erittäin vahva johdin, joten on mahdollista tehdä väylän kansi, joka on 100 % piitä, mutta myös 100 % staattista sähköä johtavaa sen eristämisen sijaan. Tämä eliminoi NdC-kuminauhan tarpeen premium-renkaiden päiväntasaajaa pitkin, mikä vapauttaa staattista sähköä maahan." Tämä on toinen merkittävä saavutus.

Kaavio A. Siniset hämähäkit edustavat klassisen seoksen suorituskykyä, vaaleanpunaiset alueet osoittavat vahvistuksen, joka voidaan saada lisäämällä piitä. Piirejä verrattavissa seuraavaan piiriin B, joka korjaa tämän ongelman lisäämällä TUBALLin.

Kaavio B. Periaate on sama kuin edellisessä kaaviossa A, arvoasteikko on sama. Voidaan päätellä, että vaaleanpunaiset pinnat paransivat suorituskykyä lisäämällä TUBALLia.

Polymeerit, joihin on lisätty TUBALLia

TUBALLilla on sama vaikutus polymeereihin kuin vahvistaviin täyteaineisiin. Siten insinöörit voivat helposti kehittää renkaita "a la carte" lisäämällä yhtä tai toista polymeeriä, säilyttäen yhden tai toisen ominaisuuden, jota muiden indikaattoreiden voimakas kehitys ei heikennä millään tavalla. Esimerkiksi joidenkin renkaiden puutteet kuivilla tai märillä pinnoilla voidaan kompensoida käyttämällä TUBALLia. Toimii myös moottoripyörän renkaiden kanssa hyvä vaihtoehto, koska se parantaa samanaikaisesti pitoa ja kulumista. "Se voi parantaa mitä tahansa", Jean-Nicolas Helt tiivistää ytimekkäästi. Mutta mikä on hinta? Ottaen huomioon seokseen lisättävän merkityksettömän määrän (muutama tuhannesosa kokonaispainosta) ja TUBALLin kohtuulliset kustannukset, Jean-Nicolas Helt arvioi, että valmistuskustannukset nousevat 2 dollarista 3 dollariin rengasta kohti, mikä on suhteellisen kallista, mutta hallittavissa. premium-renkaaseen, jonka pitäisi olla ensimmäinen, joka ottaa TUBALLin käyttöön, koska tehokkuuden lisääminen on heille etusijalla. Ja tämä on täysin totta, koska iso luku valmistajat katsovat jo kohti TUBALLia, varsinkin saatuaan positiivisia tuloksia riippumattomissa laboratorioissa, esimerkiksi maailman ykköslaboratoriossa, tehtyjen testien mukaan Smithers. Silloin kaikki OCSiAlin väitteet testattiin ja vahvistettiin, mukaan lukien se, että TUBALLin määräämien pienten määrien ylittäminen ei tuo parannusta. "Sinun ei tarvitse lisätä enempää kuin tarvitset", on johtopäätös!

Johtopäätöksessä todetaan myös, että TUBALLin annostelu seoksille on hyvin yksinkertaista, koska itse prosessi ei muutu (sekoitus, ekstruusio, kypsennys jne.) ja sinun tarvitsee vain avata TUBALL-säiliö, jotta sen sisältö kaadetaan Banbury-sekoittimeen. OCSiAl toimittaa TUBALL MATRIX 603:aan markkinoille käyttövalmiin tiivisteinä - nanoputkina, joihin on sekoitettu syntetisoituja kumeja (luonnon, styreenibutadieeni, nitriilibutadieeni jne.) sekä tridekyylialkoholietoksylaattia (TDAE) prosessiöljyä, jota useimmat käytetään usein renkaisiin. TUBALL on myös suspension muodossa useissa liuottimissa (MEK, isopropanoli, etyleeniglykoli, etyyliasetaatti, N-metyylipyrrolidoni, glyseriini tai jopa vesi). Turvallisuuden kannalta ihanteelliset formulaatiot ovat erittäin helppokäyttöisiä.

Yksinkertainen ja ihanteellinen käyttää, tätä ratkaisua voidaan tehdä entistä helpommaksi lisäämällä TUBALL polymeeriin sen polymeroitumishetkellä: lisätoimia ei tarvita sekoituksen aikana! Tämä menetelmä polymeerin tuomiseksi käyttöön "syntymähetkellä" siirtää ongelman valmistajalta syntetisoidun kumin toimittajalle, mutta OCSiAl on jo miettinyt tätä aloittaessaan yhteistyön LANXESSin kanssa. Toisin sanoen TUBALL valmistautuu tulemaan rengasteollisuuteen kahdesta ovesta kerralla, eli sen eteneminen etenee entistä nopeammin.

Vaikka luonnonkumien lisääminen voi tapahtua vain sekoitushetkellä, TUBALLin käyttö tarjoaa erinomaiset mahdollisuudet myös lisättynä suoraan valmistusprosessin aikana muihin syntetisoituihin kumeihin, isopreeniin tai nitriilibutadieeniin. Jälkimmäinen on tehnyt todellisen harppauksen alalla siirryttäessä uudelle tasolle tiivisteiden lujuudessa kaikilla alueilla... Yksinkertaisesti sanottuna renkaiden, teollisuuskumin (lateksikäsineet vaihdettiin TUBALLiin), polymeerien, elastomeerien, komposiittien markkinat , akut, aurinkosähkö, joustavat näytöt, magneettimuste, antistaattinen betoni, maalit, keramiikka, kupari, puolijohteet, lasimaalaukset, teipit jne. – Nämä ovat kaikki kohdealueita, joissa TUBALLia voidaan soveltaa. Ja nyt ymmärrämme paremmin kaikki projektin näkymät." Graphetron 50", tavoitteena on tarjota räjähdysmäinen kasvu 70 %:lle alan nykyisistä tuotteista...

Kaavio C. Alla oleva suora viiva on klassiset seokset, vihreä katkoviiva on seokset, joihin on lisätty piitä, ja sininen poikittaisviiva osoittaa renkaiden suorituskyvyn paranemisen, kun lisätään TUBALL.

Kilpailu jo...

Jean-Nicolas Helt esittelee kolme järjestelmää niille, jotka edelleen epäilevät rengasvalmistajien TUBALLin käytön etuja. Kaksi ensimmäistä ovat klassisia "hämähäkkejä", jotka vertaavat kolmen "tehokkuusindikaattoreita". eri tyyppejä renkaat - perinteiset, parannetut silikonin ja TUBALL-lisäysrenkaiden ansiosta. Ensimmäinen taulukko (A) visualisoi vaaleanpunaisten vyöhykkeiden muodossa piin käytöllä saavutettu läpimurto on tietysti tärkeä, mutta silti kaukana koko renkaan ominaisuuksien joukosta.

Toinen (B) perustuu samaan periaatteeseen, mutta tällä kertaa vaaleanpunaiset TUBALL-vyöhykkeet suurin osa alueella, mikä osoittaa merkittävää suorituskyvyn kasvua lähes kaikissa suhteissa. Lisäksi käytetyt materiaalin pienet määrät ovat yllättäviä: 0,2 % luonnonkumitiivisteessä, 0,1 % kahdessa muussa, öljytiivisteessä.

Kolmas järjestelmä (C) on ollut pitkään tunnettu erikoislehdistössä. Kaksi suoraa viivaa määrittävät "noki"-seosten ominaisuudet (alla, tummansininen) ja tehokkaammat "pii"-indikaattorit, jotka on korostettu vihreillä katkoviivoilla. Kolmas suora, joka kulkee selkeästi ylhäältä, visualisoi seoksia, joihin on lisätty TUBALL - korostettuna ylhäältä sininen. Kaavio näyttää selkeästi yksiseinäisten hiilinanoputkien tarjoamat edut.

Jotkut valmistajat ovat jo valmiita toimimaan ennakoivasti ilmoittamalla nanohiilen käytöstä. Tämä ei tarkoita, että muut valmistajat eivät jo käytä nanohiiltä, ​​vaikka he eivät puhu siitä... Polkupyöränrenkaiden valmistaja Vittoria on vuoden alusta lähtien myynyt renkaita, joihin on lisätty grafeenia, TUBALL-nanoputkien perusmateriaalia. (palaa artikkelin alkuun, jos olet jo unohtanut! ). Vittoria käyttää sitä renkaaseen upotettuina kerroksina ja väittää löytäneensä tähän mennessä saavuttamattoman kompromissin: samanaikaisesti parantaa vierintävastusta ja saavuttaa myös puhkaisunkestävyys, joka on pyöräilijöille tärkeä ominaisuus. "Paranna kaikkea kerralla", - nyt kilpailu vahvistaa Jean-Nicolas Eltin sanat...

Toinen uutinen tuli Kiinasta, jossa elokuussa solmittiin sopimus Sentury Tyren ja Huagon välillä grafeenia lisättävien renkaiden valmistusehdoista. Emme vielä tiedä miten, mutta joka tapauksessa tekniikka on varmasti erilainen kuin Vittoria-renkaat. Tällaiset uutiset kertovat yleisestä edistymisestä: vierintävastus ja mittarilukema kerrottuna 1,5:llä. Ja sitten kaksi yrityksen edustajaa esitteli grafeeniaan "ensisyntyisenä" suuressa hiiliasiantuntijakokouksessa "GrapChina" 22. syyskuuta. Samaan aikaan ja samassa kokouksessa valmistaja Shangdong ilmoitti virallisesti, että se valmistaa nyt renkaita, joissa on lisätty grafeenia. Ja kaikki sitä käyttävät viittaavat siihen tosiasiaan, että se keksittiin Nobel-palkitut. Tämä on argumentti keskustelussa, jota TUBALL ei voi väittää, vaikka nanoputket keksittiin ennen grafeenia!

Lyön vetoa, että tällaisten uutisten määrä kasvaa hyvin nopeasti. 2016 on hiilidioksidin lähtökohta rengasteollisuudessa. Ja tämä muutos on juuri alkanut, ja OCSiAl nanoputkiineen on tämän muutoksen eturintamassa. Ja tämä on huomiomme arvoinen prosessi... Monien vuosien ajan...

Jean-Pierre Gosselin