Интенсивное развитие исследований углеродных нанотрубок (УНТ) связано с появлением новой аллотропной формы углерода –фуллереном С60 , экспериментально открытым Робертом Керлом, Гарольдом Крото и Ричардом Смолли в 1985 г, а теоретически рассмотренным в начале 1970-х годов. Необычное название этого соединения связано с особой формой, напоминающей «геодезические купола», спроектированные архитектором Р.Б. Фуллером . [1]
Нанотрубка (рис. 1) – представляет собой молекулу из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Нанотрубки в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса, в 50-100 раз прочнее стали и имеют в шесть раз меньшую плотность. Модуль Юнга – уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. [4]
В 1889 году двум англичанам был выдан патент США на способ получения нанотрубок из болотного газа – метана. Он предполагал производство «угольных волосков», предназначенных для электрического освещения. 1991году японский ученый (специалист в области электронной микроскопии) УНТ были обнаружены в так называемом катодном депозите – осадке цилиндрической формы, который формировался на графитовом катоде в процессе дугового испарения.
Дальнейшие исследования и усовершенствования этого способа показали, что наибольший выход нанотруб в электродуговом способе получается в атмосфере гелия при давлении около 500 Торр (оптимальным давлением для формирования фуллеренов является Р ~ 100 Торр). Метод получения УНТ, основан на сублимации графита при воздействии на него электронного пучка. Процесс сублимации осуществляется в высоком вакууме (10 – 6 Торр).
Американскими учеными разработан метод гибкого управления электронным характером углеродных нанотрубок с помощью внедрения примеси азота в процессе роста УНТ. Исследования показывают, что углеродные нанотрубки с примесью атомов азота лучше проводят электрический ток, чем чистые углеродные нанотрубки. Это связано с тем, что атомы примеси сдвигают уровень Ферми в полупроводнике в направлении зоны проводимости. Таким образом, азотная смесь открывает широчайшие возможности для управления проводимостью нанотрубок.
Еще одним из известных свойств материалов, полученных с использованием нанотрубок, являются свойства «паучьего шелка», которые в несколько раз прочнее кевлара, не рвутся при сильном растягивании, и при этом он в пять раз легче железа [2].
Однако у таких волокон все же есть «слабости» – к примеру, их структура быстро распадается при попадании воды на поверхность. Иден Стивен из университета штата Флорида в Таллахасси (США) и его коллеги смогли ликвидировать этот недостаток и улучшить другие свойства нитей паутины, научившись покрывать их углеродными нанотрубками. [3]
Для этого Стивен и его коллеги создали особый вид нанотрубок, в структуру которых входили аминогруппы – атом азота и два атома водорода, позволявшие трубкам «цепляться» за углеводородные выросты на поверхности паутины. Сами по себе эти трубки не способны соединяться с белковыми нитями, и им необходима помощь третьего реагента, в роли которого выступает, как это ни странно, обычная вода. Как объясняют ученые, при смешивании паутины, пары капель воды и нанотрубок, последние успевают присоединиться к нитям быстрее, чем они распадаются. Это одновременно усиливает их структуру, защищает нити от разрушительного действия воды и превращает паутину в электропроводный материал.
Использование углеродных нанотрубок в качестве проводников – самое логичное их применение, ведь эти сверхпрочные структуры с уникальными электронными свойствами вроде бы идеально подходят для создания кабелей различных классов напряжения. Но на самом деле с 80-х годов учёным никак не удавалось соединить отдельные нанотрубки таким образом, чтобы получился кабель с электропроводностью хотя бы как у меди.
Кабели из углеродных нанотрубок могут найти применение в электрических конструкциях, чувствительных к весу, например, в автомобильной и авиационной электронике. По мере удешевления производства их сфера применения может быть расширена. Ученые утверждают, что их детище способно проводить ток не хуже, чем золотые, медные или алюминиевые провода, углеродные нити при этом куда более гибкие, нежели металлические проводники. Помимо этого, новые нити могут похвастать повышенной теплопроводностью.
Библиографическая ссылка
Швецова Д. И. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВОДОВ С ПОМОЩЬЮ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 5-1. – С. 108-109;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33731 (дата обращения: 23.11.2024).