Јаглеродни нано-цевки
Од Википедија
 |
Оваа статија можеби бара дополнително внимание за да ги исполни стандардите за квалитет на Википедија. Ве молиме подобрете ја оваа статија ако можете. |
Јаглеродните нано-цевки се алотропи на јаглеродот. Нано-цевка со еден ѕид подразбира нано-цевка која е направена од слој на графит со дебелина од еден атом (графин), завиткан во цилиндар со дијаметар кој се мери во нанометри. Како резултат на ова е нано-структура, каде што односот на должина-дијаметар преминува преку 1 000 000. Овие цилиндрични јаглеродни молекули имаат благородни својства, што ги прави корисни во многу полиња на науката како нанотехнологијата, електрониката, оптиката и други полиња на науката за материјалите. Нано-цевките имаат извондредна цврстина и електрични својства и се ефикасни спроводници на топлина.
Содржина |
[уреди] Видови
Нано-цевките се цилиндрични, каде барем еден крај е затворен со полухемисфера. Тие се дел од фамилијата на фулерени. Нивниот дијаметар е неколку нанометри (околу 1/50,000 од дебелината на човечко влакно), а можат да бидат долги и по неколку милиметри. Нано-цевките можат да бидат со еден ѕид, или со повеќе ѕидови.
Природата на врските кај нано-цевките може да се објасни со применетата квантна хемија, односно со орбиталната хибридизација. Хемиските врски во нано-цевките се речиси целосно sp2 врски, слични на тие во графитот. Овој тип на врска е појака од онаа кај дијамантот (ѕр3 врски) и на оваа врска се должи големата јакост на овој материјал. Нано-цевките по природа се редат во вид на „јажиња“ кои заедно ги спојуваат Ван дер Вааловите сили. Под висок притисок, нано-цевките можат да се спојат едни со други, што овозможува да се создадат силни жици со неограничена должина.
Повеќето нано-цевки со еден ѕид имаат дијаметар од речиси 1 нанометар, а должина речиси илјадници пати поголема. Нивната структура може да се замисли како слој на графит односно графин, завиткан во вид на цилиндар. Вака, слојот е опишан од пар показатели кои се викаат вектори на несиметрија(n,m). Природните броеви n и m го означуваат бројот на единечни вектори во 2 насоки на кристалната решетка која е во вид на саќе. Ако m = 0, тогаш нано-цевките се наречени „цик-цак“.
[уреди] Јаглеродни нано-цевки со еден ѕид
Нано-цевките со еден ѕид се многу важен тип на нано-цевки, бидејќи имаат одлични електрични својства за разлика од нано-цевките со повеќе ѕидови. Нано-цевките со еден ѕид се најверoјатниот кандидат за материјал кој ќе ја однесе електромеханиката под микро скалата, која денес е стандардна. Најголемиот потенцијал лежи во заменувањето на жицата со една нано-цевка, што би значело драстично намалување на големината на елементите во електрониката. Нано-цевките со еден ѕид се сѐ уште многу скапи, ако се земе предвид дека во 2000 година за еден грам од овој материјал би требало да платите 1500$. Ако во иднина не се измислат нови техники за производство на овој материјал, производство на фабричко ниво би било ништо помалку од научна фантастика. Веќе од 2007 година, неколку набавувачи го нудат овој материјал за 50-100$ за еден грам.
[уреди] Јаглеродни нано-цевки со повеќе ѕидови
Нано-цевките со повеќе ѕидови се состојат од повеќе слоеви на графит завиткани во форма на цевка. Постојат два модели кои можат да се искористат за да се објасни структурата на овој тип нано-цевки. Руската кукла „Бабушка“ е добар пример, каде слоеви на графите се распоредени во концентрични цилиндри, каде еден цилиндар со радиус од (0.8) е во поголем цилиндар од (1,0). Кај пергаментниот модел, слој на графит е завиткан околу себе, како ролна пергамент, каде што растојанието помеѓу слоевите е отприлика 330 пикометри,
[уреди] Јаглероден нано-торус
Нано-торус е теоритски замислена нано-цевка, завиткана во торус. Овој торус би имал уникатни својства, како на пример магнетски диполен момент 1000 пати поголем од претходно претпоставениот. Својствата како магнетскот момент, термичката стабилност варираат во зависност од радиусот на торусот и радиусот на цевката.
[уреди] Јакост
Јаглеродните нано-цевки се едни од најјаките и најкрутите материјали откриени до сега, во поглед на затегачката јакост и модулот на еластичност. Овие квалитети се резултат на ковалентните sp2 врски кои ги формираат индивидуалните јаглеродни атоми. Во 2000 година, нано-цевка со повеќе ѕидови беше тестирана. На тестот била измерена затегачка јакост од 63 GP (гига паскали). Бидејќи нано-цевките имаат многу мала густина за цврст материјал(1.3-1.4 g/cm3), нивната специфична јакост од 48,000 kN•m/kg е најголемата за било кој познат материјал. Како за споредба, високојаглеродните челици имаат специфична јакост од 154 kN•m/kg.
При прекумерна затегачка јакост, кај нано-цевките се појавува пластична деформација. Но, нано-цевките не се ни од блиску толку јаки при компресија. Поради нивната шуплива структура, тие се склони кон извивање кога се изложени на компресиона, свитлива и завртлива сила.
[уреди] Добивање
Развиени се повеќе техники за добивање на нано-цевки во позначителни количини, вклучувајќи ги лачно испразнување, ласерско топење итн. Повеќето од овие процеси со одвиваат во вакуум или во присуство на одредени гасови. Напредокот во овие процеси ги прави нано-цевките по достапни и поевтини. Денес се прават напори да се открие кои биле катализаторите при добивањето на дамаскискиот челик, што би открил нов евтин начин за производство на нано-цевки, откако неодамна беше откриено дека тие се дел од овој челик
[уреди] Добивање со хемиски талог – CVD(Chemical vapor deposition)
За време на овој процес, се припрема супстрат со слој од метални катализатори, најчесто никел, кобалт, железо или комбинација од сите три. Металните нано-честички, односно нивната големина влијае на дијаметарот на нано-цевките.
Супстратот се загрева на отприлика 700оС. За да се поттикне синтезата на нано-цевки, во реакторот се внесуваат два вида на гасови – гас за обработка(азот, водород) и гас кој содржи јаглерод(ацетилен, етил, етанол, метан). Наноцевките растат на местата каде што има метални катализатори; гасот кој содржи јаглерод се распаѓа на површината на катализаторската честичка, и јаглеродот се распоредува на рабовите на честичката, каде нано-цевките се формираат.
CVD е често употребуван метод за индустриско производство на јаглеродните нано-цевки. За оваа цел, металните нано-честички се додаваат во мали количина на катализатор(MgO, Al2O3) за да ја зголеми површината односно продуктивноста на катализаторската реакција на расположливите количини јаглерод со металните честички. Негативна страна на овој метод за добивање нано-цевки е отстранувањето на катализаторот со киселина, која понекогаш ја менува структурата на нано-цевките. Поради тоа, алтернативни катализатори кои се растворливи во вода се користат и го имаат сличниот ефект на поттикнување на раст на нано-цевките.
[уреди] Дефекти
Како кај секој материјал, присуството на несовршености влијае на својствата на материјалот. Неосвршеностите можат да бидат од типот на „атом-вакансија“. Ако е голем бројот на ваквите дефекти во материјалот, затегачката јакост може да се намали дури за 85%. Друг дефект кај нано-цевките е „Стоун-Велс“ дефектот, при кој се создава пар на пентагон и хептагон при прераспоредувањто на врските. Поради малата структура на нано-цевките, затегачката јакост е зависна од најслабиот дел како кај веригите, каде дефект кај еден прстен може да доведе до кинење на ланецот.
Електричните својства на нано-цевките исто така може да се влошат при присуство на дефект. Често спроводливоста кај дефектниот регион е намалена. Некои дефекти кај нано-цевките може да го направи дефектниот регион од спроводник во полу-спроводник.Несовршеностите исто така силно влијаат на термичките својства.
[уреди] Примена на нано-цевките
Јакоста и флексибилноста на јаглеродните нано-цевки има голем потенцијал во нанотехнолошкото инженерество. Најголемата затегачка јакост измерена кај индивидуална нано-цевка е 63 GPa. Сноп од нано-цевки никогаш не би можел да ја постигна таа вредност за затегачката јакост, но без разлика на тоа, такви композитни материјали би имале јакост доволна за многу широка употреба. Нано-цевките веќе се користат како композитни влакна(фибри) кај полимерите за да ги подобрат нивните механичли, термички и електрични својства на материјалот во чија градба тие се вклучени. Една студија од 2006 година, објавена во магазинот “Nature” oткрила дека јаглеродните нано-цевки се присутни во челикот дамаскус, што би ја објаснило неверојатната цврстина на мечовите кои се направени од него. Поради одличните механички својства на јаглеродните нано-цевки, предложени се голем број на нови структури и материјали, од секојдневни предмети како облека и спортска опрема, до супер-јако платно и вселенски лифтови.
Неодамна, Џејмс Д. Ајверсон и Бред Ц. Едвардс откриле нов начин на вмрежување на молекули на јаглеродните нано-цевки во полимерна матрица, со што би се формирал нов суперјак композит. Овој композит би имал затегачка јакост 138 GPa, со што би бил предизвикал револуција во многу аспекти на инженерството каде малата тежина и високата јакост се приоритет.
