<section>
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки УНТ (carbon nanotubes, CNT) являются одним из наиболее перспективных материалов современности. УНТ выделяют сверхвысокая прочность при малой плотности, высокая электрическая и тепловая проводимость, а также химическая стабильность и перспективы масштабирования лабораторных к промышленному выпуску открывают путь к применению в самых разнообразных областях науки и техники. Данная статья посвящена методам их исследования и возможностям, которые предоставляют приборы и комплексные решения Orionica в этой сфере.
</section>
<section>
Введение
Углеродные нанотрубки представляют собой одно- или многослойные цилиндрические структуры из графена, свернутого в трубку диаметром от долей до нескольких десятков нанометров. На атомном уровне их стенки состоят из шестиугольных ячеек (sp2-гибридизация) углерода, что придает нанотрубкам высокую механическую прочность и ряд других выдающихся свойств.
В зависимости от расположения графеновых слоёв (хиральности) и количества стенок (однослойные SWCNT или многостенные MWCNT), физико-химические характеристики могут существенно различаться. Однако общими признаками остаются:
- Высокая прочность: модуль Юнга для SWCNT достигает порядка 100 ГПа, что намного превышает прочность стали при гораздо меньшем весе.
- Теплопроводность: в осевом направлении нанотрубка способна эффективно проводить тепло.
- Электропроводность: при определённом расположении атомов (хиральности) углеродная нанотрубка может быть металлическим или полупроводящим материалом.
Интерес к УНТ усиливается ещё и благодаря тому, что на их базе можно создавать новые композитные материалы, приборы, электрохимические элементы и многое другое.
</section>
<section>
Вертикально ориентированные углеродные нанотрубки (VA-CNT)
Одним из наиболее перспективных направлений является рост вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (Vertically Aligned Carbon Nanotubes, VA-CNT), которые формируют так называемый «лес» (forest). Подобная технология позволяет получать массивы длинных нанотрубок, методом самосборки и протяжки из вертикально ориентированного леса. Развитие технологии, описано в работах выполнены под руководством профессоров Анвара Захидова и Рея Богмана в Техасском университете в Далласе.
</section>
<section>
Синтез
Каталитический рост: на поверхность подложки наносится прецизионно тонкий слой катализатора (железо, никель) методом вакуумного осаждения на установке Leica ACE600. Важно контролировать толщину покрытия (кварцевые резонаторы) и обеспечивать равномерное осаждение без образования островков при глубоком вакууме 10-6 Торр (турбомолекулярный насос Pfeiffer Hipace). Роста трубок проводится при высокой температуре в потоке углеводородсодержащего и восстановительных газов. В результате на катализаторе формируются наночастицы, из которых растут нанотрубки строго вертикально, образуя «лес».
Формирование полотна: вертикально ориентированный «лес» УНТ можно «вытянуть» (pulling) горизонтально в полотно. Технология позволяет реализовать масштабированные, механически прочные, прозрачные проводящие полотна, которые можно использовать в электронике, оптоэлектронике, энергетике и других отраслях.
</section>
<section>
Области применения углеродных нанотрубок
Строительство и композиты: добавка в бетоны и полимерные матрицы. Нанотрубки могут значительно повышать прочность и долговечность строительных материалов. Диспергирование УНТ в бетонной смеси способствует повышению стойкости к трещинам и улучшает механические свойства.
Электроды для суперконденсаторов и батарей. Нанотрубки благодаря огромной удельной площади и высокой электропроводности служат идеальной основой для изготовления электродов аккумуляторов и конденсаторов следующего поколения.
Солнечные батареи. Прозрачные и проводящие УНТ полотна могут заменить классические прозрачные проводящие оксидные плёнки (ITO, FTO) в солнечных элементах, обеспечивая гибкость для гибких фотопреобразователей
</section>
<section>
Нити и «искусственные мышцы»
Углеродные нити. Из вытянутых УНТполотен формируют гибкие и прочные нити с высокой электропроводностью.Перспективным применение является упрочнение тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ)для атомной энергетики.
Искусственные мышцы. За счёт изменениядлины или напряжения при пропускании тока и воздействия электролитов УНТ материалыспособны выступать в качестве актуаторов, имитируя работу мышечной ткани.
Тепловые установки. Благодаря высокойтеплопроводности УНТ могут играть роль «тепловых трубок», отводя тепло отчувствительных элементов электроники, тепловых коллекторов.
</section>
<section>
Растровая электронная микроскопия Jeol (РЭМ, SEM)
Изучение морфологии: сканирующие электронные микроскопы Jeol позволяют визуализировать поверхность «леса» УНТ, оценить плотность и ориентацию нанотрубок, а также исследовать особенностей формирования полотна УНТ.
</section>
<section>
Просвечивающая электронная микроскопия (TEM)
Атомарное разрешение: TEM даёт возможность увидеть внутреннюю структуру нанотрубки, количество её стенок, а также наличие дефектов и примесей.
Распределение катализатора: Нередко в конце нанотрубки могут находиться металлические частицы, служившие катализатором роста; TEM помогает их идентифицировать.
</section>
<section>
Оптическая поляризационная микроскопия Leica
Изучение тонких плёнок: Оптические микроскопы (например, Leica DM2700P) с поляризационными насадками дают возможность увидеть анизотропию в CNT-полотнах, которые выдёргиваются из вертикально ориентированного «леса».
Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния)
Структурный анализ: Пики D, G и 2D в спектре Рамана дают информацию о дефектности, количестве слоёв, степени графитизации и однородности нанотрубок.
Качество CNT: чем выше интенсивность G-пика относительно D-пика, тем лучше кристаллическая структура нанотрубки.
</section>
<section>
Orionica: инструменты для исследования и синтеза
Компания Orionica предлагает комплексные решения для исследователей и разработчиков, работающих в области углеродных наноматериалов. Мы являемся официальным дистрибьютором Leica Microsystems, Buehler, MTS и Jeol. В нашем шоуруме вы можете протестировать методы контроля для ваших образцов перед покупкой.
Возможность быстро и точно исследовать эти материалы с помощью SEM, TEM, оптических поляризационных микроскопов и Рамановских спектрометров обеспечивает фундаментальное понимание их свойств и помогает создавать новые продукты и технологии.
Компания Orionica, обладая значительным опытом в области синтеза и исследования наноматериалов, готова содействовать учёным и промышленным специалистам в реализации самых амбициозных проектов. Мы предоставляем комплексные решения: от аппаратного оснащения и расходных материалов до методических консультаций и технической поддержки.
Если вы заинтересованы во внедрении современных методик выращивания и характеризации CNT, обращайтесь в Orionica. Мы поможем подобрать оптимальный комплект оборудования и технологий для ваших задач, опираясь на лучшее в мире инженерное и научное наследие, а также на собственный опыт и достижения в сфере нанотехнологий. Вместе мы сможем открыть новые горизонты в науке и промышленности, делая будущее более надёжным, эффективным и инновационным.
</section>
