أنابيب الكربون النانوية. الأنابيب النانوية الكربونية: الإنتاج والتطبيق والخصائص. تنقية من المحفزات

مقدمة

حتى قبل 15-20 عامًا ، لم يفكر الكثيرون حتى في إمكانية استبدال السيليكون. قليلون هم الذين تصوروا أنه في بداية القرن الحادي والعشرين ، سيبدأ "سباق نانومتر" حقيقي بين شركات أشباه الموصلات. التقارب التدريجي مع عالم النانو يجعلك تتساءل ماذا سيحدث بعد ذلك؟ هل سيستمر قانون مور الشهير؟ بعد كل شيء ، مع الانتقال إلى معايير إنتاج أكثر دقة ، يواجه المطورون المزيد والمزيد من المهام المعقدة. يميل العديد من الخبراء عمومًا إلى الاعتقاد أنه في غضون اثني عشر عامًا أو عامين ، سيقترب السيليكون من حد لا يمكن التغلب عليه ماديًا ، عندما لن يكون من الممكن إنشاء هياكل سيليكون أرق.

استنادًا إلى الأبحاث الحديثة ، فإن أحد أكثر المرشحين ترجيحًا (ولكن ليس الوحيد) لشغل منصب "بدائل السيليكون" هي المواد القائمة على الكربون - الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين - والتي من المفترض أن تصبح أساسًا للإلكترونيات النانوية في المستقبل. أردنا التحدث عنهم في هذا المقال. بدلا من ذلك ، سوف نتحدث أكثر عن الأنابيب النانوية ، حيث تم الحصول عليها في وقت سابق وتم دراستها بشكل أفضل. هناك عدد أقل بكثير من التطورات المتعلقة بالجرافين ، لكن هذا لا ينتقص من كرامته. يعتقد بعض الباحثين أن الجرافين مادة واعدة أكثر من الأنابيب النانوية الكربونية ، لذلك سنقول بضع كلمات عنها اليوم. علاوة على ذلك ، فإن بعض الإنجازات الأخيرة للباحثين تعطي القليل من التفاؤل.

في الواقع ، من الصعب جدًا تغطية جميع الإنجازات في هذه المجالات سريعة التطور في إطار مقال واحد ، لذلك سنركز فقط على الأحداث الرئيسية في الأشهر الأخيرة. الغرض من هذا المقال هو تعريف القراء بإيجاز بأهم وأهم الإنجازات الأخيرة في مجال إلكترونيات النانو "الكربونية" والمجالات الواعدة لتطبيقها. بالنسبة لأولئك المهتمين ، لا ينبغي أن يكون العثور على الكثير من المعلومات التفصيلية حول هذا الموضوع أمرًا صعبًا (خاصة مع المعرفة باللغة الإنجليزية).

أنابيب الكربون النانوية

بعد إضافة واحدة أخرى (الفوليرينات) إلى الأشكال التقليدية الثلاثة المتآصلة للكربون (الجرافيت ، الماس والكاربين) ، على مدى السنوات القليلة المقبلة ، تقارير حول اكتشاف ودراسة الهياكل المختلفة القائمة على الكربون مع خصائص مثيرة للاهتماممثل الأنابيب النانوية ، النانو ، المواد متناهية الصغر ، إلخ.

بادئ ذي بدء ، نحن مهتمون بالأنابيب النانوية الكربونية - هياكل أسطوانية ممدودة مجوفة يتراوح قطرها من بضعة إلى عشرات النانومتر (يتم حساب طول الأنابيب النانوية التقليدية بالميكرونات ، على الرغم من الهياكل التي يبلغ طولها من المليمترات و حتى السنتيمترات يتم الحصول عليها بالفعل في المختبرات). يمكن تمثيل هذه الهياكل النانوية على النحو التالي: نحن ببساطة نأخذ شريطًا من مستوى الجرافيت ونلفه في أسطوانة. بالطبع ، هذا مجرد تمثيل رمزي. في الواقع ، لا يمكن الحصول مباشرة على مستوى من الجرافيت ولفه "في أنبوب". تعتبر طرق الحصول على الأنابيب النانوية الكربونية مشكلة تقنية معقدة وضخمة إلى حد ما ، ويعتبر اعتبارها خارج نطاق هذه المقالة.

تتميز الأنابيب النانوية الكربونية بمجموعة متنوعة من الأشكال. على سبيل المثال ، يمكن أن تكون أحادية الجدار أو متعددة الجدران (طبقة واحدة أو متعددة الطبقات) ، مستقيمة أو حلزونية ، طويلة أو قصيرة ، إلخ. والأهم من ذلك ، أثبتت الأنابيب النانوية أنها قوية بشكل ملحوظ في التوتر والانحناء. تحت تأثير الضغوط الميكانيكية العالية ، لا تمزق الأنابيب النانوية أو تنكسر ، ولكن يتم إعادة ترتيب هيكلها ببساطة. بالمناسبة ، نظرًا لأننا نتحدث عن قوة الأنابيب النانوية ، فمن المثير للاهتمام ملاحظة واحدة من أحدث الدراسات حول طبيعة هذه الخاصية.

وجد باحثو جامعة رايس بقيادة بوريس جاكوبسون أن الأنابيب النانوية الكربونية تتصرف مثل "هياكل الشفاء الذاتي الذكية" (نُشرت الدراسة في 16 فبراير 2007 في مجلة Physical Review Letters). وهكذا ، تحت الضغط الميكانيكي الحرج والتشوهات الناتجة عن تغيرات درجة الحرارة أو الإشعاع المشع ، تكون الأنابيب النانوية قادرة على "إصلاح" نفسها. اتضح أنه بالإضافة إلى الخلايا المكونة من 6 كربون ، تحتوي الأنابيب النانوية أيضًا على مجموعات مكونة من خمس وسبع ذرات. تُظهر هذه الخلايا المكونة من 5/7 ذرات سلوكًا غير عادي ، حيث تدور على طول سطح الأنابيب النانوية الكربونية مثل القوارب البخارية في البحر. عندما يحدث الضرر في موقع الخلل ، تشارك هذه الخلايا في "التئام الجروح" ، وإعادة توزيع الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك ، تُظهر الأنابيب النانوية العديد من الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والبصرية غير المتوقعة ، والتي أصبحت بالفعل أهدافًا لعدد من الدراسات. تتمثل إحدى سمات الأنابيب النانوية الكربونية في موصليةها الكهربائية ، والتي تبين أنها أعلى من تلك الموجودة في جميع الموصلات المعروفة. لديهم أيضًا موصلية حرارية ممتازة ، ومستقرة كيميائيًا ، والأكثر إثارة للاهتمام ، يمكنهم اكتساب خصائص شبه موصلة. من حيث الخصائص الإلكترونية ، يمكن للأنابيب النانوية الكربونية أن تتصرف مثل المعادن أو أشباه الموصلات ، والتي يتم تحديدها من خلال اتجاه مضلعات الكربون بالنسبة لمحور الأنبوب.

تميل الأنابيب النانوية إلى الالتصاق بإحكام مع بعضها البعض ، وتشكل مجموعات تتكون من الأنابيب النانوية المعدنية وأشباه الموصلات. حتى الآن ، تتمثل المهمة الصعبة في تصنيع مجموعة من الأنابيب النانوية شبه الموصلة فقط أو فصل (فصل) الأنابيب النانوية شبه الموصلة عن الأنابيب المعدنية. سوف نتعرف على أحدث الطرق لحل هذه المشكلة بشكل أكبر.

الجرافين

تم الحصول على الجرافين ، مقارنة بالأنابيب النانوية الكربونية ، بعد ذلك بوقت طويل. ربما يفسر هذا حقيقة أننا حتى الآن نسمع عن الجرافين في الأخبار أقل كثيرًا مما نسمع عنه عن الأنابيب النانوية الكربونية ، نظرًا لأنها أقل دراسة. لكن هذا لا ينتقص من مزاياها. بالمناسبة ، قبل أسبوعين ، كان الجرافين في دائرة الضوء في الدوائر العلمية ، بفضل التطور الجديد الذي قام به الباحثون. لكن المزيد عن ذلك لاحقًا ، ولكن الآن القليل من التاريخ.

في أكتوبر 2004 ، أفاد مصدر معلومات بي بي سي نيوز أن البروفيسور أندريه جيم وزملائه من جامعة مانشستر (المملكة المتحدة) ، جنبًا إلى جنب مع مجموعة الدكتور نوفوسيلوف (تشيرنوغولوفكا ، روسيا) ، تمكنوا من الحصول على مادة بسمك ذرة كربون واحدة. يسمى الجرافين ، وهو جزيء كربون مستو ثنائي الأبعاد بسمك ذرة واحدة. لأول مرة في العالم ، كان من الممكن فصل الطبقة الذرية عن بلورة الجرافيت.

في الوقت نفسه ، اقترح جيم وفريقه ما يسمى الترانزستور الباليستي القائم على الجرافين. سيسمح الجرافين بإنشاء ترانزستورات وأجهزة أشباه موصلات أخرى بأبعاد صغيرة جدًا (بترتيب عدة نانومترات). يؤدي تقليل طول قناة الترانزستور إلى تغيير خصائصها. في عالم النانو ، يتزايد دور التأثيرات الكمومية. تتحرك الإلكترونات عبر القناة مثل موجة دي برولي ، وهذا يقلل من عدد الاصطدامات ، وبالتالي يزيد من كفاءة الطاقة في الترانزستور.

يمكن اعتبار الجرافين على أنه أنبوب نانوي كربوني "غير متحكم فيه". إن زيادة حركة الإلكترونات تجعلها واحدة من أكثر المواد الواعدة للإلكترونيات النانوية. منذ أقل من ثلاث سنوات على استلام الجرافين ، لم تتم دراسة خصائصه جيدًا بعد. لكن النتائج الأولى المثيرة للتجارب موجودة بالفعل.

أحدث التطورات الكربونية

نظرًا لأننا تعرفنا لأول مرة على الأنابيب النانوية الكربونية (حسب التسلسل الزمني ، كانت أول من حصلنا عليها) ، في هذا الجزء من المقالة سنبدأ بها أيضًا. ربما يكون لديك السؤال التالي: إذا كانت الأنابيب النانوية الكربونية جيدة جدًا وواعدة ، فلماذا لم يتم إدخالها في الإنتاج الضخم حتى الآن؟

سبق ذكر إحدى المشاكل الرئيسية في بداية المقال. لم يتم بعد إنشاء طريقة لتجميع مصفوفة تتكون فقط من أنابيب نانوية ذات خصائص وشكل وأبعاد معينة ، والتي يمكن إدخالها في الإنتاج الضخم. يتم إيلاء المزيد من الاهتمام لفرز مجموعة "مختلطة" تتكون من أنابيب نانوية بأشباه الموصلات وخصائص معدنية (لا يقل أهمية الفرز حسب الطول والقطر). وهنا من المناسب التذكير بأحد التطورات الأولى في هذا المجال ، والذي يخص شركة IBM ، وبعد ذلك سننتقل إلى آخر الإنجازات.

أفادت ورقة بحثية صدرت في أبريل / نيسان 2001 بعنوان "هندسة الأنابيب النانوية الكربونية ودارات الأنابيب النانوية باستخدام الانهيار الكهربائي" أن باحثي شركة IBM قاموا لأول مرة ببناء ترانزستور يعتمد على أنابيب الكربون النانوية بقطر 1 نانومتر وطولها بضعة ميكرونات. تم التركيز على حقيقة أنهم تمكنوا من إيجاد طريقة لجعل مثل هذا الإنتاج بكميات كبيرة في المستقبل.

طور العلماء في شركة IBM طريقة تسمح لهم بتدمير جميع الأنابيب النانوية المعدنية مع ترك أشباه الموصلات سليمة. في الخطوة الأولى ، يتم وضع مجموعة من الأنابيب النانوية على ركيزة من ثاني أكسيد السيليكون. بعد ذلك ، تتشكل الأقطاب الكهربائية فوق الأنابيب النانوية. تلعب ركيزة السيليكون دور القطب السفلي وتسهل حجب الأنابيب النانوية شبه الموصلة. ثم يتم تطبيق الجهد الزائد. ونتيجة لذلك ، يتم تدمير الأنابيب النانوية "غير المحمية" ذات الخصائص المعدنية ، بينما تظل أشباه الموصلات سليمة.

لكن هذا كله مجرد كلمات ، ولكن في الواقع تبدو العملية نفسها أكثر تعقيدًا. تم الإبلاغ عن خطط لتحقيق التطور إلى الكمال في 3-4 سنوات (أي بحلول 2004/2005) ، ولكن ، كما نرى ، لم تكن هناك تقارير عن إدخال هذه التكنولوجيا حتى الآن.

الآن دعنا ننتقل إلى الحاضر ، أي نهاية الخريف الماضي. ثم أبلغ موقع Technology Review عن طريقة جديدة لفرز الأنابيب النانوية الكربونية ، والتي طورها باحثون في جامعة نورث وسترن (جامعة نورث وسترن). بالإضافة إلى الفصل على أساس الخصائص الموصلة ، تسمح هذه الطريقة أيضًا بفرز الأنابيب النانوية حسب قطرها.

من الغريب أن الهدف في البداية كان الفرز فقط حسب القطر ، وكانت القدرة على الفرز حسب التوصيل الكهربائي مفاجأة للباحثين أنفسهم. أشار أستاذ الكيمياء في جامعة مونتريال (مونتريال ، كندا) ريتشارد مارتل إلى أن طريقة الفرز الجديدة يمكن أن يطلق عليها اختراق كبير في هذا المجال.

تعتمد طريقة الفرز الجديدة على تنبيذ فائق ، والذي يتضمن دوران المادة بسرعات عالية تصل إلى 64 ألف دورة في الدقيقة. قبل ذلك ، يتم تطبيق خافض للتوتر السطحي على مجموعة من الأنابيب النانوية ، والتي ، بعد تنبيذ فائق ، يتم توزيعها بشكل غير متساو وفقًا لقطر الأنابيب النانوية والتوصيل الكهربائي لها. قال أندرو رينزلر الأستاذ بجامعة فلوريدا (جامعة فلوريدا في غينزفيل) ، أحد أولئك الذين اطلعوا على الطريقة الجديدة عن كثب ، إن طريقة الفرز المقترحة ستسمح بالحصول على مصفوفة بتركيز من أنابيب أشباه الموصلات بنسبة 99٪ وما فوق.

تم بالفعل استخدام التكنولوجيا الجديدة لأغراض تجريبية. باستخدام الأنابيب النانوية شبه الموصلة المصنفة ، تم إنشاء ترانزستورات ذات هيكل بسيط نسبيًا يمكن استخدامها للتحكم في وحدات البكسل في الشاشة ولوحات التلفزيون.

بالمناسبة ، على عكس طريقة IBM ، عندما تم تدمير الأنابيب النانوية المعدنية ببساطة ، يمكن للباحثين في جامعة نورث وسترن أيضًا الحصول على أنابيب نانوية معدنية باستخدام تنبيذ فائق ، والذي يمكن استخدامه أيضًا في الأجهزة الإلكترونية. على سبيل المثال ، يمكن استخدامها كأقطاب كهربائية شفافة في بعض أنواع شاشات العرض والخلايا الشمسية العضوية.

لن نتعمق في المشاكل الأخرى التي تمنع إدخال الأنابيب النانوية ، مثل الصعوبات التكنولوجية في الاندماج في الأجهزة الإلكترونية التسلسلية ، فضلاً عن فقد الطاقة الكبير عند تقاطعات المعدن مع الأنابيب النانوية ، والتي ترجع إلى مقاومة التلامس العالية. على الأرجح ، سيبدو الكشف عن هذه الموضوعات الجادة ذا أهمية قليلة ومعقدًا للغاية بالنسبة للقارئ العادي ، علاوة على ذلك ، قد يستغرق الأمر عدة صفحات.

بالنسبة إلى الجرافين ، فلنبدأ في مراجعة الإنجازات التي تحققت في هذا المجال في ربيع العام الماضي. في أبريل 2006 ، نشرت مجلة Science Express دراسة أساسية عن خصائص الجرافين ، أجرتها مجموعة من العلماء من معهد جورجيا للتكنولوجيا (GIT ، الولايات المتحدة الأمريكية) والمركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي (المركز الوطني للبحوث العلمية). ).

أول أطروحة مهمة في العمل هي أن الدوائر الإلكترونية القائمة على الجرافين يمكن إنتاجها بواسطة المعدات التقليدية المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات. لخص البروفيسور والت دي هير في معهد GIT نجاح الدراسة على النحو التالي: "لقد أظهرنا أنه يمكننا إنشاء مادة الجرافين ،" قطع "هياكل الجرافين ، وأن الجرافين له خصائص كهربائية ممتازة. تتميز هذه المادة بإمكانية تنقل عالية للإلكترون ".

يقول العديد من العلماء والباحثين أنفسهم إنهم وضعوا الأساس (الأساس) لإلكترونيات الجرافين. وتجدر الإشارة إلى أن الأنابيب النانوية الكربونية ليست سوى الخطوة الأولى نحو عالم الإلكترونيات النانوية. في مستقبل الإلكترونيات ، يرى والت دي هير وزملاؤه الجرافين بالضبط. جدير بالذكر أن البحث مدعوم من قبل شركة إنتل ، ولا يرمي بالمال إلى الهاوية.

دعونا الآن نصف بإيجاز طريقة الحصول على دوائر الجرافين والجرافين الدقيقة التي اقترحها والت دي هير وزملاؤه. عن طريق تسخين ركيزة كربيد السيليكون في فراغ عالي ، يجبر العلماء ذرات السيليكون على ترك الركيزة ، تاركين فقط طبقة رقيقة من ذرات الكربون (الجرافين). في الخطوة التالية ، يطبقون مادة مقاومة للضوء (مقاوم للضوء) ويستخدمون الطباعة الحجرية التقليدية لشعاع الإلكترون لنقش "الأنماط" المرغوبة ، أي أنهم يستخدمون تقنيات التصنيع الشائعة الاستخدام اليوم. هذه ميزة مهمة للجرافين على الأنابيب النانوية.

نتيجة لذلك ، تمكن العلماء من حفر هياكل نانوية 80 نانومتر. بهذه الطريقة ، تم إنشاء ترانزستور تأثير مجال الجرافين. يمكن أن يطلق على العيب الخطير تيارات التسرب الكبيرة للجهاز الذي تم إنشاؤه ، على الرغم من أن العلماء في ذلك الوقت لم يكونوا مستاءين على الإطلاق. لقد اعتقدوا أن هذا أمر طبيعي في المرحلة الأولية. بالإضافة إلى ذلك ، تم إنشاء جهاز تداخل كمي يعمل بكامل طاقته ويمكن استخدامه للتحكم في الموجات الإلكترونية.

منذ ربيع العام الماضي ، لم تكن هناك إنجازات بارزة مثل تطوير أبريل. على الأقل لم تظهر على صفحات مواقع الإنترنت. لكن شهر فبراير من هذا العام تميز بالعديد من الأحداث التي دفعتني في آنٍ واحد إلى التفكير في "آفاق الجرافين".

في بداية الشهر الماضي ، قدمت AMO (مجموعة AMO nanoelectronics) تطورها كجزء من مشروع ALEGRA. تمكن مهندسو AMO من إنشاء ترانزستور ذو بوابة علوية من الجرافين ، مما يجعل هيكلها مشابهًا للترانزستورات الحديثة ذات التأثير الميداني للسيليكون (MOSFETs). ومن المثير للاهتمام ، أن ترانزستور الجرافين تم إنشاؤه باستخدام تقنية التصنيع CMOS التقليدية.

على عكس MOSFETs (MOS - أشباه الموصلات بأكسيد المعادن) ، تتميز ترانزستورات الجرافين التي أنشأها مهندسو AMO بحركية أعلى للإلكترون وسرعة التحويل. لسوء الحظ ، في الوقت الحالي لا يتم الكشف عن تفاصيل التطوير. سيتم نشر التفاصيل الأولى في أبريل من هذا العام في رسائل أجهزة IEEE Electron Device Letters.

الآن دعنا ننتقل إلى تطوير "جديد" آخر - ترانزستور الجرافين الذي يعمل كجهاز شبه موصل أحادي الإلكترون. ومن المثير للاهتمام أن مبتكري هذا الجهاز معروفون لنا بالفعل الأستاذ جايم والعالم الروسي كونستانتين نوفوسيلوف وآخرين.

يحتوي هذا الترانزستور على مناطق حيث تصبح الشحنة الكهربائية كميّة. في هذه الحالة ، لوحظ تأثير حصار كولوم (أثناء انتقال الإلكترون ، يظهر جهد يمنع حركة الجسيمات التالية ، ويصد الجسيمات الأخرى بشحنتها. هذه الظاهرة تسمى حصار كولوم. بسبب الحصار ، لن يمر الإلكترون التالي إلا عندما يتحرك الإلكترون السابق بعيدًا عن الانتقال ، وبالتالي ستكون الجسيمات قادرة على "القفز" فقط على فترات زمنية معينة). نتيجة لذلك ، يمكن لإلكترون واحد فقط المرور عبر قناة الترانزستور ، التي يبلغ عرضها بضعة نانومترات فقط. أي أنه يصبح من الممكن التحكم في أجهزة أشباه الموصلات بإلكترون واحد فقط.

تفتح القدرة على التحكم في الإلكترونات الفردية فرصًا جديدة لمبدعي الدوائر الإلكترونية. نتيجة لذلك ، يمكن تقليل جهد البوابة بشكل كبير. تتميز الأجهزة التي تعتمد على ترانزستورات الجرافين أحادية الإلكترون بحساسية عالية وأداء سرعة ممتاز. بالطبع ، ستنخفض الأبعاد أيضًا بترتيب من حيث الحجم. الأهم من ذلك ، تم التغلب على مشكلة خطيرة ، من سمات النموذج الأولي لترانزستور الجرافين والت دي هير ، وهي تيارات عالية التسرب.

وتجدر الإشارة إلى أنه قد تم بالفعل إنشاء أجهزة أحادية الإلكترون باستخدام السيليكون التقليدي. لكن المشكلة تكمن في أن معظمها لا يمكنه العمل إلا في درجات حرارة منخفضة جدًا (على الرغم من وجود عينات بالفعل تعمل في درجة حرارة الغرفة ، إلا أنها أكبر بكثير من ترانزستورات الجرافين). يستطيع من بنات أفكار جايم وزملائه العمل بسهولة في درجة حرارة الغرفة.

آفاق استخدام المواد النانوية الكربونية

على الأرجح ، سيكون هذا الجزء من المقالة هو الأكثر إثارة للاهتمام للقراء. بعد كل شيء ، النظرية شيء واحد ، وتجسيد إنجازات العلم في أجهزة حقيقية مفيدة للإنسان ، حتى النماذج الأولية ، يجب أن يكون محل اهتمام المستهلك. بشكل عام ، فإن النطاق المحتمل لتطبيق الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين متنوع تمامًا ، لكننا مهتمون بشكل أساسي بعالم الإلكترونيات. أود أن أشير على الفور إلى أن الجرافين مادة كربونية "أصغر سناً" ولا تزال في بداية مسار البحث فقط ، لذلك ، في هذا الجزء من المقالة ، سيكون التركيز على الأجهزة والتقنيات القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية.

يعرض

يرتبط استخدام الأنابيب النانوية الكربونية في شاشات العرض ارتباطًا وثيقًا بتقنية FED (عرض الانبعاث الميداني) ، التي طورتها شركة LETI الفرنسية وتم تقديمها لأول مرة في عام 1991. على عكس CRT ، الذي يستخدم ما يصل إلى ثلاثة ما يسمى بالكاثودات "الساخنة" ، استخدمت شاشات FED في البداية مصفوفة من العديد من الكاثودات "الباردة". كما اتضح ، فإن معدل الرفض المرتفع للغاية جعل شاشات FED غير قادرة على المنافسة. بالإضافة إلى ذلك ، في 1997-1998 كان هناك اتجاه نحو تخفيض كبير في تكلفة الألواح الكريستالية السائلة ، والتي ، كما بدا في ذلك الوقت ، لم تترك أي فرصة لتقنية FED.

تلقى من بنات أفكار LETI "ريحًا ثانية" بحلول نهاية القرن الماضي ، عندما ظهرت الدراسات الأولى لشاشات العرض FED ، حيث تم اقتراح استخدام صفائف من الأنابيب النانوية الكربونية ككاثودات. أظهر عدد من الشركات المصنعة الكبرى اهتمامًا بشاشات الأنابيب النانوية الكربونية ، بما في ذلك Samsung و Motorola و Fujitsu و Canon و Toshiba و Philips و LG و Hitachi و Pioneer وغيرها ، المعروفة للجميع. في الرسم التوضيحي ، ترى أحد الخيارات لتنفيذ عروض FED على الأنابيب النانوية الكربونية SDNT (أنابيب نانوية كربونية صغيرة القطر ، وأنابيب نانوية كربونية ذات قطر صغير).

وتجدر الإشارة إلى أن شاشات العرض FED على الأنابيب النانوية الكربونية يمكن أن تتنافس مع الألواح الحديثة ذات القطر الكبير وفي المستقبل سوف تتنافس بجدية في المقام الأول مع لوحات البلازما (فهي تهيمن الآن على القطاع بأقطار كبيرة جدًا). الأهم من ذلك ، أن الأنابيب النانوية الكربونية ستقلل بشكل كبير من تكلفة تصنيع شاشات العرض FED.

من آخر الأخبار في عالم شاشات عرض الأنابيب النانوية FED ، يجدر التذكير بالإعلان الأخير الذي أصدرته شركة Motorola بأن تطوراتها جاهزة تقريبًا لترك جدران المعامل البحثية والانتقال إلى الإنتاج الضخم. ومن المثير للاهتمام أن موتورولا لا تخطط لبناء مصانعها الخاصة لإنتاج شاشات عرض الأنابيب النانوية وهي حاليًا في مفاوضات الترخيص مع العديد من الشركات المصنعة. أشار جيمس جاسكي ، رئيس قسم البحث والتطوير في موتورولا ، إلى أن شركتين آسيويتين تقومان بالفعل ببناء مصانع لإنتاج شاشات عرض الأنابيب النانوية الكربونية. لذا فإن شاشات الأنابيب النانوية ليست مستقبلًا بعيدًا ، وقد حان الوقت لأخذها على محمل الجد.

كان أحد التحديات الكبيرة التي واجهها مهندسو Motorola هو إنشاء طريقة منخفضة الحرارة لإنتاج أنابيب نانوية كربونية على الركيزة (حتى لا تذوب الركيزة الزجاجية). وقد تم بالفعل التغلب على هذا الحاجز التكنولوجي. كما تشير إلى الإنجاز الناجح لتطوير أساليب فرز الأنابيب النانوية ، والتي أصبحت بالنسبة للعديد من الشركات العاملة في هذه الصناعة "عقبة لا يمكن التغلب عليها".

يعتقد مدير DiplaySearch Steve Jurichich (Steve Jurichich) أنه من السابق لأوانه الابتهاج في Motorola. بعد كل شيء ، لا يزال هناك غزو للسوق في المستقبل ، حيث تم بالفعل احتلال المكان "تحت الشمس" من قبل مصنعي الكريستال السائل وألواح البلازما. لا تنسَ التقنيات الواعدة الأخرى ، مثل OLED (شاشات الصمام الثنائي الباعث للضوء العضوية) ، QD-LED (LED-dot ، نوع من شاشات LED التي تستخدم ما يسمى بالنقاط الكمومية ، التي طورتها الشركة الأمريكية QD Vision) . إلى جانب ذلك ، قد تصبح Samsung Electronics ومشروع مشترك لتقديم شاشات عرض الأنابيب النانوية من Canon و Toshiba (بالمناسبة ، يخططون لبدء تسليم أول شاشات عرض الأنابيب النانوية بحلول نهاية هذا العام) منافسة قوية لشركة Motorola في المستقبل.

وجدت الأنابيب النانوية الكربونية تطبيقًا ليس فقط في شاشات FED. اقترح الباحثون في مختبر Regroupement Quebecois sur les Materiaux de Pointe (كيبيك ، كندا) استخدام مادة تعتمد على الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار كأقطاب كهربائية لشاشات OLED. وفقًا لموقع Nano Technology World ، ستسمح التكنولوجيا الجديدة بإنشاء ورق إلكتروني رفيع جدًا. نظرًا للقوة العالية للأنابيب النانوية ومجموعة الأقطاب الكهربائية الرفيعة للغاية ، يمكن أن تكون شاشات OLED مرنة جدًا ولديها أيضًا درجة عالية من الشفافية.

ذاكرة

قبل أن أبدأ قصة عن أكثر تطورات "الكربون" إثارة للاهتمام في مجال الذاكرة ، أود أن أشير إلى أن البحث في تقنيات تخزين المعلومات بشكل عام هو أحد أكثر المجالات تطورًا في الوقت الحاضر. أظهر المعرض الإلكتروني للمستهلك الأخير (لاس فيجاس) و Hanover CeBIT أن الاهتمام بمختلف محركات الأقراص وأنظمة تخزين البيانات لا يهدأ بمرور الوقت ، ولكنه يزداد فقط. وهذا ليس مستغربا. فقط فكر: وفقًا لمنظمة IDC التحليلية ، في عام 2006 ، تم إنشاء حوالي 161 مليار جيجا بايت من المعلومات (161 إكسابايت) ، وهو ما يزيد عشر مرات عن السنوات السابقة!

خلال عام 2006 الماضي ، لم يكن بوسع المرء إلا أن يتعجب من الأفكار الإبداعية للعلماء. ما لم نره للتو: ذاكرة على جسيمات الذهب النانوية ، وذاكرة تعتمد على الموصلات الفائقة ، وحتى الذاكرة ... على الفيروسات والبكتيريا! في الآونة الأخيرة ، تم ذكر تقنيات الذاكرة غير المتطايرة بشكل متزايد في الأخبار مثل MRAM و FRAM و PRAM وغيرها ، والتي لم تعد مجرد معروضات "ورقية" أو نماذج توضيحية ، ولكنها أجهزة فعالة تمامًا. لذا فإن تقنيات الذاكرة القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية ليست سوى جزء صغير من البحث حول تخزين المعلومات.

ربما نبدأ قصتنا حول ذاكرة "الأنابيب النانوية" مع تطورات نانتيرو ، التي أصبحت بالفعل مشهورة جدًا في مجالها. بدأ كل شيء في عام 2001 ، عندما تم جذب استثمارات كبيرة للشركة الناشئة ، مما جعل من الممكن البدء في التطوير النشط لنوع جديد من ذاكرة NRAM غير المتطايرة القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية. شهدنا العام الماضي بعض التطورات الجادة من قبل نانتيرو. في أبريل 2006 ، أعلنت الشركة عن إنشاء مفتاح ذاكرة من نوع NRAM تم تصنيعه وفقًا لمعيار 22 نانومتر. بالإضافة إلى تطورات Nantero المسجلة الملكية ، شاركت تقنيات التصنيع الحالية في إنشاء جهاز جديد. في مايو من نفس العام ، تم دمج تقنية أجهزة الأنابيب النانوية الكربونية بنجاح في تصنيع CMOS في LSI Logic Corporation (في مصنع ON Semiconductor).

في نهاية عام 2006 كان هناك حدث هام. أعلنت شركة Nantero أنها تغلبت على جميع الحواجز التكنولوجية الرئيسية أمام الإنتاج الضخم لرقائق الأنابيب النانوية الكربونية باستخدام المعدات التقليدية. تم تطوير طريقة لترسيب الأنابيب النانوية على ركيزة من السيليكون باستخدام طريقة معروفة مثل الطلاء بالدوران ، وبعد ذلك يتم استخدام الطباعة الحجرية والحفر ، التقليدية لإنتاج أشباه الموصلات. إحدى مزايا ذاكرة NRAM هي سرعات القراءة / الكتابة العالية.

ومع ذلك ، لن نتعمق في التفاصيل الدقيقة. سأشير فقط إلى أن مثل هذه الإنجازات تمنح نانتيرو كل الأسباب للاعتماد على النجاح. إذا تمكن مهندسو الشركة من نقل التطوير إلى نهايته المنطقية ولن يكون إنتاج رقائق NRAM مكلفًا للغاية (وإمكانية استخدام المعدات الحالية تمنحنا الحق في أن نأمل في ذلك) ، فسنشهد ظهور سلاح هائل جديد في سوق الذاكرة ، والذي يمكن أن يضغط بشكل خطير الأنواع الموجودةالذاكرة بما في ذلك SRAM و DRAM و NAND و NOR وما إلى ذلك.

كما هو الحال في العديد من مجالات العلوم والتكنولوجيا الأخرى ، يتم إجراء أبحاث ذاكرة الأنابيب النانوية الكربونية ليس فقط من قبل الشركات التجارية مثل Nantero ، ولكن أيضًا من قبل مختبرات رائدة المؤسسات التعليميةسلام. من بين أعمال مثيرة للاهتماممكرسة لذاكرة "الكربون" ، أود أن أشير إلى تطور موظفي جامعة هونغ كونغ للفنون التطبيقية (جامعة هونغ كونغ للفنون التطبيقية) ، التي نُشرت في أبريل من العام الماضي على صفحات المنشور الإلكتروني Applied Physics Letters.

على عكس العديد من التطورات المماثلة التي لا تعمل إلا في درجات حرارة منخفضة جدًا ، يمكن للجهاز الذي ابتكره الفيزيائيان جيان داي ولو (X. B. Lu) أن يعمل أيضًا في درجة حرارة الغرفة. الذاكرة غير المتطايرة التي أنشأها باحثو هونغ كونغ ليست بنفس سرعة NRAM من Nantero ، لذلك من المحتمل أن تفشل فكرة إزالة DRAM من العرش. ولكن كبديل محتمل لذاكرة الفلاش التقليدية ، يمكن النظر في ذلك.

من أجل فهم مبدأ عمل هذه الذاكرة بشكل عام ، يكفي إلقاء نظرة على الرسم التوضيحي أدناه (ب). تلعب الأنابيب النانوية الكربونية (CNT ، الأنابيب النانوية الكربونية) دور طبقة تخزين الشحن (الذاكرة). يبدو أنها محصورة بين طبقتين من HfAlO (تتكون من الهافنيوم والألمنيوم والأكسجين) ، والتي تلعب دور بوابة التحكم وطبقة أكسيد. يتم وضع الهيكل بأكمله على ركيزة من السيليكون.

تم اقتراح حل أصلي إلى حد ما من قبل العلماء الكوريين جون وون كانغ (جيونغ وون كانغ) وكين يان (تشينغ جيانغ). تمكنوا من تطوير ذاكرة تعتمد على ما يسمى بالأنابيب النانوية التلسكوبية. تم اكتشاف المبدأ الكامن وراء التطوير الجديد في عام 2002 وتم وصفه في العمل "الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران باسم Gigahertz Oscillators". تمكن مؤلفوها من إثبات أن الأنبوب النانوي الذي يحتوي على أنبوب نانوي آخر بقطر أصغر مدمج فيه يشكل مذبذبًا ، يصل إلى تردد التذبذب بترتيب الجيجاهيرتز.

تحدد سرعة الانزلاق العالية للأنابيب النانوية المتداخلة في الأنابيب النانوية الأخرى سرعة نوع جديد من الذاكرة. يجادل Yong Won Kang و Kin Yan بأنه يمكن استخدام تصميمهما ليس فقط كذاكرة فلاش ، ولكن أيضًا كذاكرة وصول عشوائي عالية السرعة. من السهل فهم مبدأ تشغيل الذاكرة بناءً على الشكل.

كما ترى ، يتم وضع زوج من الأنابيب النانوية المتداخلة بين قطبين. عندما يتم تطبيق شحنة على أحد الأقطاب الكهربائية ، يتحرك الأنبوب النانوي الداخلي في اتجاه واحد أو آخر تحت تأثير قوى فان دير فال. هذا التطور له عيب كبير: عينة من هذه الذاكرة يمكن أن تعمل فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية. ومع ذلك ، فإن العلماء واثقون من أن هذه المشكلات مؤقتة ويمكن التغلب عليها في مراحل البحث التالية.

بطبيعة الحال ، ستبقى العديد من التطورات ميتة. بعد كل شيء ، يعد النموذج الأولي الذي يعمل في المختبر شيئًا واحدًا ، ولكن في الطريق إلى تسويق التكنولوجيا ، هناك دائمًا العديد من الصعوبات ، ليس فقط الصعوبات التقنية البحتة ، ولكن أيضًا المادية. على أي حال ، فإن الأعمال الحالية تلهم بعض التفاؤل وهي مفيدة للغاية.

معالجات

الآن دعونا نحلم بنوع معالجات الكربون المستقبلية التي يمكن أن تمتلكها. يبحث عمالقة صناعة المعالجات بنشاط عن طرق جديدة لتمديد قانون جوردون مور ، وكل عام يصبح الأمر أكثر صعوبة بالنسبة لهم. إن تقليل حجم عناصر أشباه الموصلات والكثافة الهائلة لوضعها على شريحة في كل مرة يشكل مهمة صعبة للغاية لتقليل التيارات المتسربة. تتمثل الاتجاهات الرئيسية لحل مثل هذه المشكلات في البحث عن مواد جديدة لاستخدامها في أجهزة أشباه الموصلات وتغيير هيكلها.

كما تعلم على الأرجح ، أعلنت شركة IBM و Intel مؤخرًا في وقت واحد تقريبًا عن استخدام مواد جديدة لإنشاء ترانزستورات سيتم استخدامها في الجيل التالي من المعالجات. تم اقتراح المواد القائمة على الهافنيوم مع ثابت عازل عالي (عالي k) كعزل بوابة بدلاً من ثاني أكسيد السيليكون. عند إنشاء إلكترود البوابة ، سيتم إزاحة السيليكون عن طريق السبائك المعدنية.

كما نرى ، حتى اليوم هناك استبدال تدريجي للسيليكون والمواد التي تعتمد عليه بمركبات واعدة أكثر. تفكر العديد من الشركات في استبدال السيليكون لفترة طويلة. أحد أكبر الرعاة المشاريع البحثيةفي مجال الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين هي شركة IBM و Intel.

في نهاية شهر مارس من العام الماضي ، أعلنت مجموعة من الباحثين من شركة IBM وجامعتين في فلوريدا ونيويورك عن إنشاء أول دائرة إلكترونية متكاملة تعتمد على أنبوب نانوي واحد فقط من الكربون. هذا المخطط أرق بخمس مرات من قطر شعرة الإنسان ولا يمكن ملاحظته إلا من خلال مجهر إلكتروني قوي.

تمكن باحثو IBM من تحقيق سرعات أسرع بمليون مرة تقريبًا مما تم تحقيقه سابقًا باستخدام دوائر الأنابيب النانوية المتعددة. على الرغم من أن هذه السرعات لا تزال أبطأ من رقائق السيليكون اليوم ، إلا أن علماء شركة IBM واثقون من أن العمليات النانوية الجديدة ستطلق في النهاية العنان للإمكانات الهائلة لإلكترونيات الأنابيب النانوية الكربونية.

وفقًا للبروفيسور يورج أبنزلر ، فإن المذبذب الدائري القائم على الأنابيب النانوية الذي ابتكره الباحثون هو أداة ممتازة لدراسة خصائص العناصر الإلكترونية الكربونية. المذبذب الحلقي عبارة عن دائرة يختبر فيها مصنعو الرقائق عادةً جدوى عمليات أو مواد تصنيع جديدة. يساعد هذا المخطط في توقع سلوك التقنيات الجديدة في المنتجات النهائية.

لفترة طويلة نسبيًا ، أجرت إنتل أبحاثها حول الاستخدام المحتمل للأنابيب النانوية الكربونية في المعالجات. أذكر أن إنتل ليست غير مبالية بالأنابيب النانوية ، أجبرت ندوة الحدث الأخير لجمعية الفراغ الأمريكية ، والتي ناقشت بنشاط أحدث إنجازات الشركة في هذا المجال.

بالمناسبة ، تم بالفعل تطوير نموذج أولي لشريحة ، حيث يتم استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كوصلات بينية. وكما هو معروف. يستلزم الانتقال إلى معايير أكثر دقة زيادة المقاومة الكهربائية للموصلات الموصلة في أواخر التسعينيات ، تحول مصنعو الدوائر الدقيقة إلى استخدام الموصلات النحاسية بدلاً من موصلات الألمنيوم. ولكن بالفعل السنوات الاخيرةحتى النحاس لم يعد يرضي مصنعي المعالجات ، وهم يستعدون تدريجياً لاستبداله.

أحد الاتجاهات الواعدة هو استخدام الأنابيب النانوية الكربونية. بالمناسبة ، كما ذكرنا في بداية المقال ، لا تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية فقط بموصلية أفضل مقارنة بالمعادن ، بل يمكنها أيضًا أن تلعب دور أشباه الموصلات. وبالتالي ، يبدو أن هناك إمكانية حقيقية في المستقبل لاستبدال السيليكون تمامًا في المعالجات والدوائر الدقيقة الأخرى وإنشاء شرائح مصنوعة بالكامل من الأنابيب النانوية الكربونية.

من ناحية أخرى ، من السابق لأوانه أيضًا "دفن" السيليكون. أولاً ، من غير المحتمل أن يحدث الإزاحة الكاملة للسيليكون بواسطة الأنابيب النانوية الكربونية في الدوائر الدقيقة في العقد المقبل. وهذا ما لاحظه مؤلفو التطورات الناجحة أنفسهم. ثانيًا ، للسيليكون أيضًا آفاق. بالإضافة إلى الأنابيب النانوية الكربونية ، يتمتع السيليكون أيضًا بفرصة لتأمين مستقبل في مجال الإلكترونيات النانوية - في شكل أسلاك السيليكون النانوية والأنابيب النانوية والنانوية وغيرها من الهياكل ، والتي تعد أيضًا موضوعًا للدراسة في العديد من المعامل البحثية.

خاتمة

في الختام ، أود أن أضيف أن هذا المقال نجح في تغطية جزء صغير جدًا مما يحدث حاليًا في مجال إلكترونيات الكربون النانوية. تواصل العقول المشرقة ابتكار تقنيات متطورة ، قد يصبح بعضها أساس إلكترونيات المستقبل. يميل البعض إلى الاعتقاد بأن الروبوتات النانوية ، والشاشات الشفافة ، وأجهزة التلفزيون التي يمكن لفها في أنبوب رفيع ، وغيرها من الأجهزة المدهشة تظل خيالًا ولن تصبح حقيقة إلا في المستقبل البعيد جدًا. لكن عددًا من الدراسات المذهلة اليوم تجعلنا نعتقد أن كل هذا ليس بعيد المنال.

بالإضافة إلى ذلك ، بالإضافة إلى الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين التي تمت مناقشتها في هذه المقالة ، تحدث اكتشافات مذهلة في الإلكترونيات الجزيئية. يتم إجراء بحث غريب في مجال الاتصال بين العالم البيولوجي وعالم السيليكون. هناك العديد من الآفاق لتطوير صناعة الكمبيوتر. ومن المحتمل ألا يتعهد أحد بالتنبؤ بما سيحدث في غضون 10 إلى 15 عامًا. هناك شيء واحد واضح: لا يزال هناك العديد من الاكتشافات المثيرة والأجهزة المذهلة التي تنتظرنا.

مصادر المعلومات المستخدمة عند كتابة المقال

• [بريد إلكتروني محمي] ()
• PhysOrg.com ()))
• IBM Research ()
• K. S. Novoselov، A. K. Geim، S. V. Morozov، D. Jiang، Y. Zhang، S. V. Dubonos، I. V. Grigorieva، A. A. Firsov. "تأثير الحقل الكهربائي في أفلام الكربون رقيقة ذريا"
• ك.س. نوفوسيلوف ، ود. جيانغ ، وإف شيدن ، وف.ف.خوتكيفيتش ، وس.ف. Geim "بلورات ذرية ثنائية الأبعاد"
• كوانشوي تشنغ ، تشينغ جيانغ. "الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران كمذبذبات جيجاهيرتز"

تم اكتشاف الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار في عام 1993. تم نشر مقالين في وقت واحد في عدد واحد من المجلة طبيعة، حيث نشر باحثون من اليابان Ichihashi و Sumio Iijima ، وكذلك علماء من شركة IBM ، نتائج حول إمكانية تصنيع أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار باستخدام محفزات معدنية. الأنابيب النانوية الكربونية هي أبطال وأبطال من بين مواد أخرى.

ضع في اعتبارك الخصائص الفيزيائية. التوصيل. الموصلية الكهربائية للأنابيب النانوية الكربونية أعلى بكثير من الموصلية الكهربائية للنحاس والفضة. بالإضافة إلى ذلك ، لوحظ التوصيل الباليستي على مسافة عدة ميكرومتر. من ناحية أخرى ، تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية مادة رائعة شبه موصلة يمكن مقارنتها بالسيليكون من حيث خصائصها. باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار ، من الممكن الحصول على ترانزستورات يتجاوز فيها تنقل حاملات الشحنة بشكل كبير الحركة في ترانزستورات السيليكون التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، تتيح الأنابيب النانوية أحادية الجدار الحصول على ترانزستورات على ركائز مرنة وشفافة. تتميز الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار بخصائص حرارية ملحوظة ، أفضل من تلك الخاصة بالماس: الموصلية الحرارية في الأنابيب أعلى بحوالي مرتين. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار هي مصدر فعال للإلكترونات الباردة.

الثبات الحراري للأنابيب النانوية الكربونية مرتفع جدًا: يمكنك ، دون خوف من تدميرها ، تسخين حتى 1500 درجة مئوية ، بينما يبدأ منافسها الرئيسي - الموصلات العضوية - في الانهيار بالفعل عند درجة حرارة حوالي 150 درجة مئوية. الأنابيب النانوية الكربونية مادة خفيفة للغاية. من ناحية أخرى ، فهي تتمتع بقوة محددة عالية - 25 مرة أعلى من تلك الموجودة في الفولاذ عالي القوة. هذه هي المادة الوحيدة تقريبًا التي يمكن من خلالها إنشاء مصعد فضائي ، يربط قمرًا صناعيًا يدور في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض مع الأرض ، على شكل كابل ، يمكن من خلاله رفع الأحمال إلى الفضاء. تتيح إضافة الأنابيب النانوية الكربونية إلى البوليمرات الحصول على مركبات تتغير فيها الخواص الميكانيكية ، ويتم الحصول على مواد مركبة قوية جدًا ، والتي تختلف فيها الموصلية الكهربائية أيضًا. إذا كانت المادة مغطاة بطبقة من الأنابيب النانوية الكربونية ، فيمكن الحصول على طبقة تحمي وتحمي المادة من الموجات الكهرومغناطيسية.

ماذا يمكن أن يقال عن تطبيقات الطاقة: يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كقطب موجب في بطاريات الليثيوم ، كمكثفات فائقة ، بالإضافة إلى أنها عناصر فعالة في الخلايا الشمسية - على الأصباغ ، وكذلك في التوصيلات غير المتجانسة ، حيث السيليكون π- تم استبدال طبقة الأنابيب النانوية أحادية الجدار. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن صنع مستشعرات بصرية وغازية متنوعة ذات نطاق طيفي واسع إلى حد ما من الأنابيب النانوية الكربونية. يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كأقطاب كهربائية وترانزستورات شفافة. أود أن أتحدث عن هذا بمزيد من التفصيل ، لكن لاحقًا.

أود التحدث عن موصلية الأنابيب النانوية الكربونية. كما قلت ، الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار هي موصل معدني جيد وأشباه موصلات رائعة. يتم تحديد نوع الموصلية بواسطة مجموعة التماثل. إذا عرفنا مؤشرات chirality ، فيمكننا التنبؤ بالخصائص المعدنية لأنبوب الكربون النانوي. إذا كان الفرق بين هذه المؤشرات صفرًا أو مضاعفًا لـ 3 ، فسنحصل على أنابيب نانوية كربونية لها خصائص معدنية ، بينما ستكون جميع الأنابيب النانوية الأخرى أشباه موصلات. من الواضح أن 1/3 الأنابيب النانوية الكربونية معدنية و 2/3 من أشباه الموصلات. لسوء الحظ ، لا تسمح أي من الطرق المتاحة حاليًا بتركيب الأنابيب النانوية الكربونية بتزاوج معين. ماذا نقول عن chirality - من المستحيل الحصول على أنابيب الكربون النانوية حتى مع وجود معدن معين.

وفقًا لطرق الانحلال الكربوني ، يمكن تقسيم جميع طرق تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية إلى مواد فيزيائية وكيميائية. تعتمد الطريقة الفيزيائية على تبخر وتسامي الكربون. نعلم أن ضغط الجرافيت منخفض جدًا. أبخرة مشبعةلذلك ، لكي يتبخر الجرافيت ، يجب تسخينه إلى درجة حرارة أعلى من 3000 كلفن. يمكن استخدام الطاقة الشمسية أو التسخين التعريفي أو الاستئصال بالليزر أو تفريغ القوس الكهربائي لهذا الغرض. كانت هذه الطريقة شائعة جدًا في الأيام الأولى لأبحاث الأنابيب النانوية الكربونية ، ولكن لسوء الحظ ، لا تسمح درجات الحرارة المرتفعة للفرد بالتحكم في خصائص المادة الناتجة. لذلك ، كان هناك مؤخرًا اتجاه نحو دراسة الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار - بتعبير أدق ، طرق إنتاجها - بالطرق الكيميائية. تعتمد هذه الطريقة على تحلل مركبات الكربون - يمكن أن تكون هيدروكربونات ، كحول ، كيتونات ، أي عضوي ، أول أكسيد الكربون.

في المقابل ، سأقسم الطرق الكيميائية إلى تركيب الأنابيب النانوية الكربونية على الركائز وفي الطور الغازي. يعد تركيب الأنابيب النانوية الكربونية على ركائز الطريقة الأكثر شيوعًا. يسمح لك بالحصول على الأنابيب النانوية الكربونية: يمكنك أن تأخذ ركيزة خاملة ، وتشكل جزيئات نانوية محفزة عليها ، وتضع مثل هذه الركيزة في مفاعل لفترة زمنية معينة (عادةً 5 ، 10 ، 20 أو 30 دقيقة) ، ثم الاستمتاع بالصور التي تم الحصول عليها على الركيزة الخاصة بك في المجهر الإلكتروني. من ناحية أخرى ، لا تعتمد طريقة الهباء على استخدام الركيزة ، وتحدث جميع عمليات تكوين الأنابيب النانوية الكربونية في الطور الغازي. هناك حد زمني خطير هنا ، حيث تنقضي حوالي 10-12 ثانية بين إدخال وإخراج البخار في المفاعل. خلال هذا الوقت ، يجب أن يحدث كل شيء: تحلل المادة الحفازة (عادةً ما يتم استخدام خماسي كربونيل الحديد أو فيروسين في مثل هذه الطرق) ، ثم تكوين جسيمات حفزية بحجم نانومتر ، من 1 إلى 5 نانومتر ، تحلل أو تحلل الكربون المكونات الموجودة على سطح المحفز ونمو الأنابيب النانوية الكربونية. كل شيء يستغرق 12 ثانية.

تم اقتراح طريقة الهباء الجوي لدراسة الأنابيب النانوية الكربونية لأول مرة في عام 1999 في جامعة هيوستن. لقد شاركت أيضًا في تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية بطريقة الهباء الجوي لمدة 13 عامًا تقريبًا. أعتقد أن هذه الطريقة هي الأكثر واعدة على الإطلاق ، لأنها تسمح بالحصول على أنابيب نانوية كربونية عالية الجودة بدون جزيئات محفزة غير مستخدمة ، بدون كربون غير متبلور ، أي منتج جاهز للاستخدام على نطاق واسع عندما يغادر المفاعل. بعد المفاعل ، يتم ترسيب الأنابيب النانوية الكربونية على مرشح. ثم يمكن نقلهم إلى أي ركيزة أخرى. تستغرق هذه العملية حرفيًا بضع ثوانٍ ، ولكنها تتيح لك الحصول بسرعة كبيرة على أقطاب كهربائية شفافة عالية الجودة.

في عملنا ، استخدمنا الأنابيب النانوية الكربونية في العديد من المجالات ، من المرشحات إلى الإلكترونيات. سأقدم بعض الأمثلة. مرشحات الهباء الجوي. من خلال فيلم من الأنابيب النانوية الكربونية ، يمر تيار غاز يحتوي على جزيئات الهباء الجوي التي نريد التخلص منها بسهولة تامة دون خلق مقاومة. بالإضافة إلى ذلك ، تجعل المسامات النانوية من الممكن تصفية جميع الكائنات تقريبًا. قمنا بقياس خصائص هذا المرشح ووجدنا أن عامل جودة المرشحات المصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار أعلى بترتيب من حيث الحجم من نظائرها المتاحة تجاريًا. بالإضافة إلى ذلك ، استخدمنا الأنابيب النانوية الكربونية كمستشعرات كهروكيميائية - سمحت لنا اختبارات الدوبامين القياسية بتحديد مستوى حساسية أقل من 100 ميلينانومول على نطاق واسع إلى حد ما - حوالي 4 أوامر من حيث التركيز. فيلم الأنبوب النانوي الكربوني عبارة عن ممتص ليزر رائع يسمح للشخص بالحصول على 200 نبضة فيمتوثانية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية كمقياس تدفق ، وسخان هواء ، ومصباح متوهج ، وأجهزة أخرى. لقد أنشأنا أيضًا مكبر صوت حراري باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية المعلقة بحرية. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع الأقطاب الكهربائية الشفافة بخصائص ممتازة ، والتي أعتقد أنها ستطرح في السوق قريبًا ، لأن الأقطاب الكهربائية الشفافة القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار لها خصائص ممتازة ، يمكن مقارنتها بأكسيد الإنديوم المشبع بالقصدير.

يمكن على الأرجح استخدام الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار في الإلكترونيات كأقطاب كهربائية شفافة. في اللغة الإنجليزية يطلق عليه استبدال ITO- استبدال أكسيد الإنديوم المشبع بالقصدير ، وهي المادة المستخدمة في 75٪ من الهواتف المحمولة والأدوات. من المعروف أن الإنديوم مادة أرضية نادرة ، بالإضافة إلى أن أكسيد الإنديوم المشبع بالقصدير مادة هشة إلى حد ما لا يمكن استخدامها للإلكترونيات المرنة والشفافة ، في حين أن الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار ، والأغشية المصنوعة منها بدقة أكثر ، يمكن تنحني إلى عدة عشرات الآلاف من المرات دون أي تغيير في مقاومة السطح تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تصنيع الترانزستورات ذات التأثير الميداني ذي الأغشية الرقيقة من مادتنا ، والتي تتميز بخصائص رائعة على مستوى تقنيات السيليكون التقليدية ، بل وتتجاوزها أحيانًا ، بمعدل تيار متقطع يبلغ 106 و 108 ومع حاملة الشحنة بترتيب 1000 أو أكثر من السنتيمتر المربع لكل فولت.لثانية.

تعتبر طريقة الهباء الجوي لتخليق الأنابيب النانوية الكربونية وتحضير الأغشية المودعة على المرشح فرصة فريدة لإعداد مكونات للإلكترونيات المرنة والشفافة. يحدث الترسيب في درجة حرارة الغرفة ، وهذه التقنية لا تتطلب فراغ ، فهي سريعة ورخيصة الثمن. هدفنا هو إنشاء إنتاج واسع النطاق للأنابيب النانوية الكربونية مع إمكانية استخدام تقنية اللفائف لاستخدامها في الإلكترونيات المرنة والشفافة.

الطاقة صناعة مهمة تلعب دورًا كبيرًا في حياة الإنسان. تعتمد حالة الطاقة في البلاد على عمل العديد من العلماء في هذا المجال. حتى الآن ، فإنهم يبحثون عن هذه الأغراض ، فهم مستعدون لاستخدام أي شيء ، بدءًا من ضوء الشمس والماء ، وانتهاءً بطاقة الهواء. المعدات القادرة على توليد الطاقة من البيئة ذات قيمة عالية.

معلومات عامة

الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن طائرات من الجرافيت مدلفنة ممتدة لها شكل أسطواني. كقاعدة عامة ، يصل سمكها إلى عدة عشرات من النانومترات ، ويبلغ طولها عدة سنتيمترات. في نهاية الأنابيب النانوية ، يتكون رأس كروي ، وهو أحد أجزاء الفوليرين.

هناك نوعان من الأنابيب النانوية الكربونية: المعدن وأشباه الموصلات. الفرق الرئيسي بينهما هو موصلية التيار. النوع الأول يمكنه توصيل التيار عند درجة حرارة تساوي 0 درجة مئوية ، والثاني - فقط في درجات حرارة مرتفعة.

الأنابيب النانوية الكربونية: الخصائص

ترتبط معظم المجالات الحديثة ، مثل الكيمياء التطبيقية أو تقنية النانو ، بالأنابيب النانوية ، التي لها هيكل إطار كربوني. ما هذا؟ يشير هذا الهيكل إلى جزيئات كبيرة مرتبطة ببعضها البعض فقط بواسطة ذرات الكربون. الأنابيب النانوية الكربونية ، التي تعتمد خصائصها على غلاف مغلق ، ذات قيمة عالية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه التكوينات لها شكل أسطواني. يمكن الحصول على هذه الأنابيب عن طريق طي ورقة الجرافيت ، أو النمو من محفز معين. الأنابيب النانوية الكربونية ، الصور المعروضة أدناه ، لها هيكل غير عادي.

تأتي بأشكال وأحجام مختلفة: طبقة واحدة ومتعددة الطبقات ، مستقيمة ومتعرجة. على الرغم من حقيقة أن الأنابيب النانوية تبدو هشة للغاية ، إلا أنها مادة قوية. نتيجة للعديد من الدراسات ، وجد أن لها خصائص مثل التمدد والانحناء. تحت تأثير الأحمال الميكانيكية الخطيرة ، لا تنكسر العناصر أو تنكسر ، أي أنها يمكن أن تتكيف مع الفولتية المختلفة.

تسمم

نتيجة لدراسات متعددة ، وجد أن الأنابيب النانوية الكربونية يمكن أن تسبب نفس مشاكل ألياف الأسبستوس ، أي أن الأورام الخبيثة المختلفة تحدث ، وكذلك سرطان الرئة. تعتمد درجة التأثير السلبي للأسبستوس على نوع وسمك أليافه. نظرًا لأن الأنابيب النانوية الكربونية صغيرة الوزن والحجم ، فإنها تدخل جسم الإنسان بسهولة بالهواء. علاوة على ذلك ، يدخلون غشاء الجنب ويدخلون الصدر ، ومع مرور الوقت يسببون مضاعفات مختلفة. أجرى العلماء تجربة وأضافوا جزيئات من الأنابيب النانوية إلى طعام الفئران. من الناحية العملية ، لم تكن المنتجات ذات القطر الصغير باقية في الجسم ، لكن المنتجات الأكبر حجماً كانت تحفر في جدران المعدة وتسببت في أمراض مختلفة.

طرق الاستحواذ

حتى الآن ، هناك الطرق التالية للحصول على الأنابيب النانوية الكربونية: شحنة القوس ، الاجتثاث ، الترسيب من الطور الغازي.

تفريغ القوس الكهربائي. الحصول على (الأنابيب النانوية الكربونية موصوفة في هذه المقالة) في بلازما من الشحنة الكهربائية ، والتي تحترق باستخدام الهيليوم. يمكن تنفيذ هذه العملية باستخدام معدات تقنية خاصة لإنتاج الفوليرين. ولكن باستخدام هذه الطريقة ، يتم استخدام طرق أخرى لحرق القوس. على سبيل المثال ، يتناقص ، ويتم أيضًا استخدام الكاثودات ذات السماكة الهائلة. لخلق جو من الهيليوم ، من الضروري زيادة ضغط هذا عنصر كيميائي. يتم الحصول على الأنابيب النانوية الكربونية عن طريق الرش. لزيادة عددها ، من الضروري إدخال محفز في قضيب الجرافيت. غالبًا ما يكون مزيجًا من مجموعات معدنية مختلفة. علاوة على ذلك ، هناك تغيير في الضغط وطريقة الرش. وهكذا ، يتم الحصول على ترسيب كاثودي ، حيث تتشكل الأنابيب النانوية الكربونية. تنمو المنتجات النهائية بشكل عمودي على القطب السالب ويتم تجميعها في حزم. طولها 40 ميكرومتر.

استئصال. اخترع ريتشارد سمالي هذه الطريقة. جوهرها هو تبخير أسطح الجرافيت المختلفة في مفاعل يعمل عند درجات حرارة عالية. تتشكل الأنابيب النانوية الكربونية نتيجة لتبخر الجرافيت في قاع المفاعل.

يتم تبريدها وجمعها عن طريق سطح تبريد. إذا كان عدد العناصر في الحالة الأولى يساوي 60 ٪ ، فبهذه الطريقة زاد الرقم بنسبة 10 ٪. تكلفة طريقة إبطال الليزر أغلى من جميع الطرق الأخرى. كقاعدة عامة ، يتم الحصول على الأنابيب النانوية أحادية الجدار عن طريق تغيير درجة حرارة التفاعل.

ترسب من المرحلة الغازية. تم اختراع طريقة ترسيب بخار الكربون في أواخر الخمسينيات. لكن لم يتخيل أحد أنه يمكن الحصول على الأنابيب النانوية الكربونية بواسطته. لذلك ، تحتاج أولاً إلى تحضير السطح بمحفز. يمكن استخدام جزيئات صغيرة من معادن مختلفة ، على سبيل المثال ، الكوبالت والنيكل وغيرها الكثير. تبدأ الأنابيب النانوية في الظهور من طبقة المحفز. سمكها يعتمد بشكل مباشر على حجم المعدن المحفز. يتم تسخين السطح إلى درجات حرارة عالية ، وبعد ذلك يتم توفير غاز يحتوي على الكربون. من بينها الميثان ، الأسيتيلين ، الإيثانول ، إلخ. تعمل الأمونيا كغاز تقني إضافي. هذه الطريقة في الحصول على الأنابيب النانوية هي الأكثر شيوعًا. تتم العملية نفسها في العديد من المؤسسات الصناعية ، حيث يتم إنفاق موارد مالية أقل لتصنيع عدد كبير من الأنابيب. ميزة أخرى لهذه الطريقة هي أنه يمكن الحصول على العناصر الرأسية من أي جسيمات معدنية تعمل كمحفز. أصبح الحصول على (الأنابيب النانوية الكربونية موصوفة من جميع الجوانب) ممكنًا بفضل بحث Suomi Iijima ، الذي لاحظ تحت المجهر ظهورها نتيجة لتخليق الكربون.

أنواع رئيسية

يتم تصنيف عناصر الكربون حسب عدد الطبقات. أبسط نوع هو الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار. يبلغ سمك كل منها حوالي 1 نانومتر ، ويمكن أن يكون طولها أطول من ذلك بكثير. إذا أخذنا في الاعتبار الهيكل ، فإن المنتج يبدو وكأنه غلاف الجرافيت بشبكة سداسية. في قممها ذرات الكربون. وبالتالي ، فإن الأنبوب له شكل أسطوانة ، بدون طبقات. الجزء العلوي من الأجهزة مغلق بأغطية تتكون من جزيئات الفوليرين.

النوع التالي هو الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الطبقات. وهي تتكون من عدة طبقات من الجرافيت مطوية على شكل أسطوانة. يتم الحفاظ على مسافة 0.34 نانومتر بينهما. يتم وصف هيكل من هذا النوع بطريقتين. وفقًا للأول ، فإن الأنابيب متعددة الطبقات عبارة عن عدة أنابيب أحادية الطبقة متداخلة مع بعضها البعض ، والتي تبدو وكأنها دمية متداخلة. وفقًا للثانية ، الأنابيب النانوية متعددة الطبقات عبارة عن ورقة من الجرافيت تلتف حول نفسها عدة مرات ، والتي تبدو وكأنها صحيفة مطوية.

الأنابيب النانوية الكربونية: التطبيق

العناصر هي ممثل جديد تمامًا لفئة المواد النانوية.

كما ذكرنا سابقًا ، لديهم هيكل إطار ، والذي يختلف في خصائصه عن الجرافيت أو الماس. هذا هو السبب في أنها تستخدم في كثير من الأحيان أكثر من غيرها من المواد.

نظرًا لخصائص مثل القوة والانحناء والتوصيل ، يتم استخدامها في العديد من المجالات:

• كإضافات للبوليمرات ؛
• محفز لأجهزة الإضاءة ، وكذلك شاشات العرض المسطحة والأنابيب في شبكات الاتصالات ؛
• كممتص للموجات الكهرومغناطيسية ؛
• لتحويل الطاقة
• إنتاج الأنودات في أنواع مختلفة من البطاريات ؛
• تخزين الهيدروجين؛
• تصنيع أجهزة الاستشعار والمكثفات.
• إنتاج المركبات وتقوية هيكلها وخصائصها.

لسنوات عديدة ، تم استخدام الأنابيب النانوية الكربونية ، التي لا يقتصر تطبيقها على صناعة معينة ، في بحث علمي. هذه المواد لها مكانة ضعيفة في السوق ، حيث توجد مشاكل في الإنتاج على نطاق واسع. اخر نقطة مهمةهي التكلفة العالية للأنابيب النانوية الكربونية ، والتي تبلغ حوالي 120 دولارًا لكل جرام من هذه المادة.

يتم استخدامها كعنصر رئيسي لإنتاج العديد من المواد المركبة ، والتي تستخدم في تصنيع العديد من السلع الرياضية. صناعة أخرى هي صناعة السيارات. يتم تقليل وظيفة الأنابيب النانوية الكربونية في هذه المنطقة إلى منح البوليمرات بخصائص موصلة.

معامل التوصيل الحراري للأنابيب النانوية مرتفع بدرجة كافية ، لذا يمكن استخدامها كجهاز تبريد لمختلف المعدات الضخمة. يتم أيضًا صنع النصائح منها ، والتي يتم توصيلها بأنابيب المسبار.

أهم فرع للتطبيق هو تكنولوجيا الكمبيوتر. بفضل الأنابيب النانوية ، يتم إنشاء شاشات العرض المسطحة بشكل خاص. بمساعدتهم ، يمكنك تقليل الأبعاد الكلية للكمبيوتر نفسه بشكل كبير ، بالإضافة إلى زيادة أدائه الفني. ستكون المعدات النهائية أفضل بعدة مرات من التقنيات الحالية. بناءً على هذه الدراسات ، من الممكن إنشاء مناظير حركية عالية الجهد.

بمرور الوقت ، سيتم استخدام الأنابيب ليس فقط في الإلكترونيات ، ولكن أيضًا في المجالات الطبية والطاقة.

إنتاج

يتم توزيع أنابيب الكربون ، التي يتم توزيع إنتاجها بين النوعين ، بشكل غير متساو.

وهذا يعني أن MWNTs تصنع أكثر بكثير من SWNTs. النوع الثاني يتم في حالة الحاجة الماسة. تقوم العديد من الشركات بإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية باستمرار. لكنهم ليسوا مطلوبين عملياً ، لأن تكلفتهم مرتفعة للغاية.

قادة الإنتاج

اليوم ، تحتل الدول الآسيوية المكانة الرائدة في إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية ، وهي أعلى بثلاث مرات من البلدان الأخرى في أوروبا وأمريكا. على وجه الخصوص ، تعمل اليابان في تصنيع MWNT. لكن الدول الأخرى ، مثل كوريا والصين ، ليست بأي حال من الأحوال أدنى من هذا المؤشر.

الإنتاج في روسيا

الإنتاج المحلي للأنابيب النانوية الكربونية يتخلف كثيراً عن البلدان الأخرى. في الواقع ، كل هذا يتوقف على جودة البحث في هذا المجال. لا تخصص موارد مالية كافية لإنشاء مراكز علمية وتكنولوجية في الدولة. لا يقبل الكثير من الناس التطورات في مجال تكنولوجيا النانو لأنهم لا يعرفون كيف يمكن استخدامها في الصناعة. لذلك ، فإن انتقال الاقتصاد إلى مسار جديد أمر صعب للغاية.

لذلك ، أصدر رئيس روسيا مرسومًا يشير إلى سبل التنمية مناطق مختلفةالنانو ، بما في ذلك عناصر الكربون. لهذه الأغراض ، تم إنشاء برنامج خاص للتطوير والتكنولوجيا.

من أجل تلبية جميع نقاط الطلب ، تم إنشاء شركة Rosnanotech. تم تخصيص مبلغ كبير من ميزانية الدولة لعملها. هي التي يجب أن تتحكم في عملية تطوير وإنتاج وإدخال الأنابيب النانوية الكربونية في المجال الصناعي. سيتم إنفاق المبلغ المخصص على إنشاء معاهد بحثية ومختبرات مختلفة ، كما سيعزز الإنجازات الحالية للعلماء المحليين. أيضًا ، سيتم استخدام هذه الأموال لشراء معدات عالية الجودة لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية. كما يجدر الاهتمام بتلك الأجهزة التي تحمي صحة الإنسان ، حيث أن هذه المادة تسبب العديد من الأمراض.

كما ذكرنا سابقًا ، فإن المشكلة برمتها تكمن في جمع الأموال. لا يرغب معظم المستثمرين في الاستثمار في البحث والتطوير ، خاصة لفترة طويلة. يرغب جميع رجال الأعمال في تحقيق الربح ، لكن تطوير النانو قد يستغرق سنوات. هذا ما ينفر ممثلي الشركات الصغيرة والمتوسطة. بالإضافة إلى ذلك ، بدون الاستثمار الحكومي ، لن يكون من الممكن إطلاق إنتاج المواد النانوية بشكل كامل.

مشكلة أخرى هي عدم وجود إطار قانوني ، حيث لا توجد صلة وسيطة بين مختلف مراحل العمل. لذلك ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية ، التي لا يطلب إنتاجها في روسيا ، لا تتطلب استثمارات مالية فحسب ، بل تتطلب أيضًا استثمارات عقلية. في حين أن الاتحاد الروسي بعيد عن دول آسيا التي تقود في تطوير تكنولوجيا النانو.

اليوم ، يتم تنفيذ التطورات في هذه الصناعة في الأقسام الكيميائية في جامعات مختلفة في موسكو وتامبوف وسانت بطرسبرغ ونوفوسيبيرسك وكازان. الشركات المصنعة الرائدة للأنابيب النانوية الكربونية هي شركة Granat ومصنع Komsomolets في تامبوف.

الجوانب الإيجابية والسلبية

من بين المزايا ، يمكن تمييز الخصائص الخاصة للأنابيب النانوية الكربونية. إنها مادة متينة لا تنهار تحت تأثير التأثيرات الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك ، فهي تعمل بشكل جيد في الانحناء والتمدد. أصبح هذا ممكنًا من خلال هيكل الإطار المغلق. لا يقتصر تطبيقها على صناعة واحدة. وجدت الأنابيب تطبيقات في السيارات والإلكترونيات والطب والطاقة.

عيب كبير هو التأثير السلبي على صحة الإنسان.

دخول جزيئات الأنابيب النانوية إلى جسم الإنسان يؤدي إلى ظهور الأورام الخبيثة والسرطان.

جانب أساسي هو تمويل هذه الصناعة. كثير من الناس لا يرغبون في الاستثمار في العلم ، لأن تحقيق الربح يستغرق وقتًا طويلاً. وبدون عمل مختبرات البحث ، فإن تطوير تقنيات النانو أمر مستحيل.

خاتمة

تلعب الأنابيب النانوية الكربونية دور مهمفي التقنيات المبتكرة. يتوقع العديد من الخبراء نمو هذه الصناعة في السنوات القادمة. ستكون هناك زيادة كبيرة في القدرات الإنتاجية ، مما سيؤدي إلى انخفاض تكلفة البضائع. مع انخفاض الأسعار ، سيزداد الطلب على الأنابيب ، وستصبح مادة لا غنى عنها للعديد من الأجهزة والمعدات.

لذلك ، اكتشفنا ما هي هذه المنتجات.

الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) مادة واعدة تم التخطيط لاستخدامها في مجموعة واسعة من الصناعات - من إنتاج الدراجات إلى الإلكترونيات الدقيقة. ومع ذلك ، حتى الحد الأدنى من الضرر الذي يلحق بالتركيب الذري لأنابيب الكربون النانوية يؤدي إلى انخفاض في قوتها بنسبة 50٪. هذا يدعو إلى التساؤل عن إمكانية بناء مصعد فضائي من مادة تعتمد على الأنابيب النانوية الكربونية.

10/16/2015 ، أندري باراباش 29

ربما يكون فريق من الباحثين من جامعة ستانفورد قد حقق اختراقًا علميًا يمكن أن يغير حياة مبتوري الأطراف. طور العلماء بديلاً للجلد الاصطناعي يمكنه الشعور باللمس ونقل هذه المعلومات إلى الجهاز العصبي. يمكن استخدام تقنية مماثلة لإنشاء أطراف اصطناعية مستقبلية سيتم بناؤها في الجهاز العصبي للإنسان. بالإضافة إلى ذلك ، ستتيح هذه التقنية للناس ليس فقط الشعور باللمس ، ولكن أيضًا لتحديد قوتهم.

الأنابيب النانوية الكربونية هي مستقبل التقنيات المبتكرة. سيؤدي إنتاج وإدخال الأنابيب النانوية إلى تحسين جودة السلع والمنتجات ، مما يقلل بشكل كبير من وزنها ويزيد من قوتها ، فضلاً عن إضفاء خصائص جديدة عليها.

ما هي الأنابيب النانوية الكربونية

الأنابيب النانوية الكربونية أو البنية النانوية الأنبوبية (نانوتوبولين) عبارة عن هياكل أسطوانية مجوفة مفردة أو متعددة الجدران تم إنشاؤها بشكل مصطنع في المختبر ، ويتم الحصول عليها من ذرات الكربون ولها خصائص ميكانيكية وكهربائية وفيزيائية استثنائية.

تتكون الأنابيب النانوية الكربونية من ذرات الكربون وتتشكل على شكل أنابيب أو أسطوانات. وهي صغيرة جدًا (بالمقياس النانوي) ، ويبلغ قطرها من واحد إلى عدة عشرات من النانومترات ويصل طولها إلى عدة سنتيمترات. تتكون الأنابيب النانوية الكربونية من الجرافيت ، ولكن لها خصائص أخرى لا تميز الجرافيت. لا توجد في الطبيعة. أصلهم مصطنع. إن جسد الأنابيب النانوية اصطناعي ، تم إنشاؤه من قبل الناس بشكل مستقل من البداية إلى النهاية.

إذا نظرت إلى أنبوب نانوي مكبّر مليون مرة ، يمكنك أن ترى أسطوانة ممدودة تتكون من سداسي الأضلاع متساوية الأضلاع مع ذرات الكربون في رؤوسها. هذه طائرة من الجرافيت ملفوفة في أنبوب. يعتمد تباين الأنبوب النانوي على خصائصه الخصائص البدنيةوالخصائص.

الأنبوب النانوي ، الذي يتم تكبيره مليون مرة ، عبارة عن أسطوانة مستطيلة تتكون من سداسي الأضلاع متساوية الأضلاع مع ذرات الكربون في رؤوسها. هذه طائرة من الجرافيت ملفوفة في أنبوب.

Chirality هي خاصية لجزيء لا يتطابق في الفضاء مع صورته المرآة.

بشكل أكثر وضوحًا ، الانحناء هو عندما تطوي ، على سبيل المثال ، ورقة بالتساوي. إذا كان بشكل غير مباشر ، فهذه أخيرية بالفعل. يمكن أن تحتوي الأنابيب النانوية على هياكل أحادية الطبقة ومتعددة الطبقات. البنية متعددة الطبقات ليست أكثر من عدة أنابيب نانوية أحادية الطبقة "مغطاة" واحدة على واحدة.

تاريخ الاكتشاف

التاريخ الدقيق لاكتشاف الأنابيب النانوية ومكتشفها غير معروفين. هذا الموضوع هو مادة للنقاش والاستدلال ، حيث يوجد العديد من الأوصاف الموازية لهذه الهياكل من قبل علماء من دول مختلفة. تكمن الصعوبة الرئيسية في تحديد المكتشف في حقيقة أن الأنابيب النانوية والألياف النانوية ، التي تقع في مجال رؤية العلماء ، لم تجذب انتباههم الشديد لفترة طويلة ولم يتم دراستها بعناية. موجود عمل علميإثبات أن إمكانية إنشاء الأنابيب النانوية والألياف من المواد المحتوية على الكربون كان مسموحًا به نظريًا في النصف الثاني من القرن الماضي.

السبب الرئيسي لعدم إجراء دراسات جادة لمركبات الكربون الميكرون لفترة طويلة هو أنه في ذلك الوقت لم يكن لدى العلماء قاعدة علمية قوية بما يكفي للبحث ، وبالتحديد ، لم تكن هناك معدات قادرة على توسيع موضوع الدراسة إلى المدى المطلوب وشفافة هيكلها.

إذا رتبنا الأحداث في دراسة مركبات الكربون النانوي بترتيب زمني ، فإن الدليل الأول يقع في عام 1952 ، عندما لفت العالمان السوفييت رادوشكيفيتش ولوكيانوفيتش الانتباه إلى البنية الليفية النانوية التي تشكلت أثناء التحلل الحراري لأول أكسيد الكربون ( الاسم الروسي- أكسيد). كان الهيكل الذي تمت ملاحظته باستخدام معدات المجهر الإلكتروني يحتوي على ألياف يبلغ قطرها حوالي 100 نانومتر. لسوء الحظ ، لم تذهب الأمور إلى أبعد من إصلاح بنية نانوية غير عادية ، ولم يتبع ذلك أي بحث آخر.

بعد 25 عامًا من النسيان ، منذ عام 1974 ، بدأت المعلومات حول وجود هياكل أنبوبية ميكرون مصنوعة من الكربون تصل إلى الصحف. لذلك ، قامت مجموعة من العلماء اليابانيين (T. Koyama ، M. Endo ، A. Oberlin) أثناء البحث في 1974-1975. قدم للجمهور نتائج عدد من دراساتهم ، والتي تضمنت وصفًا لأنابيب رفيعة بقطر أقل من 100 ، والتي تم الحصول عليها من الأبخرة أثناء التكثيف. أيضًا ، وصف العلماء السوفييت من معهد التحفيز التابع لفرع سيبيريا التابع لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في عام 1977 تشكيل الهياكل المجوفة مع وصف هيكل وآلية التكوين التي تم الحصول عليها في دراسة خصائص الكربون.

Å (Agström) - وحدة قياس المسافات ، تساوي 10−10 م.في نظام SI ، الوحدة القريبة من قيمة الأنجستروم هي نانومتر (1 نانومتر = 10 Å).

الفوليرينات عبارة عن جزيئات كروية مجوفة على شكل كرة أو كرة رجبي.

الفوليرين هو رابع تعديل للكربون ، غير معروف سابقًا ، اكتشفه الكيميائي وعالم الفيزياء الفلكية الإنجليزي هارولد كروتو.

وفقط بعد استخدام أحدث المعدات في بحثهم العلمي ، والذي يسمح لهم بالفحص التفصيلي والتألق من خلال التركيب الكربوني للأنابيب النانوية ، أجرى العالم الياباني سوميو إيجيما أول بحث جاد في عام 1991 ، ونتيجة لذلك تم تجريب الأنابيب النانوية الكربونية. تم الحصول عليها ودراستها بالتفصيل.

في بحثه ، قام البروفيسور إيجيما بتعريض الجرافيت المتقطع لتفريغ القوس الكهربائي للحصول على نموذج أولي. تم قياس النموذج الأولي بعناية. وأظهرت أبعاده أن قطر الخيوط (الذبيحة) لا يتجاوز بضعة نانومترات ، بطول واحد إلى عدة ميكرونات. عند دراسة بنية الأنابيب النانوية الكربونية ، وجد العلماء أن الكائن قيد الدراسة يمكن أن يتكون من طبقة إلى عدة طبقات ، تتكون من شبكة سداسية من الجرافيت مبنية على أشكال سداسية. في هذه الحالة ، تشبه نهايات الأنابيب النانوية من الناحية الهيكلية نصف جزيء الفوليرين المقطوع إلى قسمين.

في وقت الدراسات المذكورة أعلاه ، كان هناك بالفعل أعمال لعلماء مشهورين في مجالهم مثل جونز ، لوس أنجلوس. تشيرنوزاتونسكي ، م. Kornilov ، متنبأًا بإمكانية تكوين هذا الشكل المتآصل من الكربون ، واصفًا هيكله وخصائصه الفيزيائية والكيميائية وغيرها.

إن التركيب متعدد الطبقات للأنبوب النانوي ليس أكثر من عدة أنابيب نانوية أحادية الطبقة ، "مغطاة" واحدة تلو الأخرى وفقًا لمبدأ دمى التعشيش الروسية

الخصائص الكهربية

تخضع الخصائص الكهربية الفيزيائية للأنابيب النانوية الكربونية لأدق تدقيق من قبل المجتمعات العلمية في جميع أنحاء العالم. من خلال تصميم الأنابيب النانوية بنسب هندسية معينة ، يمكن منحها خصائص موصلة أو خصائص شبه موصلة. على سبيل المثال ، الماس والجرافيت كلاهما من الكربون ، ولكن بسبب الاختلافات في التركيب الجزيئي ، فإن لهما خصائص مختلفة وفي بعض الحالات معاكسة. تسمى هذه الأنابيب النانوية المعدنية أو أشباه الموصلات.

الأنابيب النانوية التي توصل الكهرباء حتى عندما الصفر المطلقدرجات الحرارة المعدنية. تشير الموصلية الصفرية للتيار الكهربائي عند الصفر المطلق ، والتي تزداد مع زيادة درجة الحرارة ، إلى السمة المميزة لهيكل نانوي من أشباه الموصلات.

يتم توزيع التصنيف الرئيسي وفقًا لطريقة طي مستوى الجرافيت. يُشار إلى طريقة الطي برقمين: "م" و "ن" ، مما يحدد اتجاه الطي على طول نواقل شبكة الجرافيت. تعتمد خصائص الأنابيب النانوية على هندسة مستوى الجرافيت القابل للطي ، على سبيل المثال ، تؤثر زاوية الالتواء بشكل مباشر على خصائصها الكهربية.

اعتمادًا على المعلمات (n ، m) ، يمكن أن تكون الأنابيب النانوية: مستقيم (achiral) ، مسنن ("كرسي بذراعين") ، متعرج و حلزوني (حلزوني). لحساب وتخطيط التوصيل الكهربائي ، يتم استخدام صيغة نسبة المعلمات: (n-m) / 3.

يشير العدد الصحيح الذي تم الحصول عليه في الحساب إلى موصلية الأنابيب النانوية من النوع المعدني ، ويشير الرقم الكسري إلى نوع أشباه الموصلات. على سبيل المثال ، جميع أنابيب نوع "الكرسي" معدنية. الأنابيب النانوية الكربونية من النوع المعدني توصل التيار الكهربائي عند الصفر المطلق. الأنابيب النانوية من نوع أشباه الموصلات لها موصلية صفرية عند الصفر المطلق ، مما يزيد مع زيادة درجة الحرارة.

يمكن للأنابيب النانوية ذات النوع المعدني من التوصيل أن تنقل ما يقرب من مليار أمبير لكل سنتيمتر مربع. يعتبر النحاس ، باعتباره أحد أفضل الموصلات المعدنية ، أدنى من الأنابيب النانوية في هذه المؤشرات بأكثر من ألف مرة. عندما يتم تجاوز حد التوصيل ، يحدث تسخين مصحوب بذوبان المادة وتدمير الشبكة الجزيئية. هذا لا يحدث مع الأنابيب النانوية في ظل ظروف متساوية. ويرجع ذلك إلى الموصلية الحرارية العالية جدًا ، والتي تعد ضعف الموصلية الحرارية للماس.

من حيث القوة ، يترك النانوتوبولين أيضًا مواد أخرى متخلفة عن الركب. إنه أقوى من 5-10 مرات من أقوى سبائك الفولاذ (1.28-1.8 تيرا باسكال في معامل يونغ) وله مرونة 100 ألف مرة أعلى من المطاط. إذا قارنا مؤشرات قوة الشد ، فإنها تتجاوز خصائص القوة المماثلة للفولاذ عالي الجودة بنسبة 20-22 مرة!

كيفية الحصول على الأمم المتحدة

يتم الحصول على الأنابيب النانوية من خلال طرق درجات الحرارة العالية ودرجات الحرارة المنخفضة.

تشمل طرق درجات الحرارة المرتفعة الاستئصال بالليزر أو تكنولوجيا الطاقة الشمسية أو تفريغ القوس الكهربائي. تضمنت طريقة درجة الحرارة المنخفضة ترسيب البخار الكيميائي باستخدام التحلل الهيدروكربوني التحفيزي ، والنمو التحفيزي في الطور الغازي من أول أكسيد الكربون ، والإنتاج عن طريق التحليل الكهربائي ، والمعالجة الحرارية للبوليمر ، والانحلال الحراري المحلي بدرجة حرارة منخفضة أو التحفيز المحلي. جميع الطرق صعبة الفهم وذات تقنية عالية ومكلفة للغاية. لا يمكن إنتاج الأنابيب النانوية إلا من خلال مؤسسة كبيرة ذات قاعدة علمية قوية.

بشكل مبسط ، تكون عملية الحصول على الأنابيب النانوية من الكربون بطريقة القوس كما يلي:

يتم إدخال البلازما في الحالة الغازية في مفاعل يتم تسخينه إلى درجة حرارة معينة بدائرة مغلقة من خلال جهاز الحقن. في المفاعل ، يتم تثبيت ملفات مغناطيسية في الجزأين العلوي والسفلي ، أحدهما هو الأنود والآخر القطب السالب. يتم تزويد الملفات المغناطيسية بتيار كهربائي ثابت. تتأثر البلازما في المفاعل بالقوس الكهربائي ، والذي يدور أيضًا بواسطة مجال مغناطيسي. تحت تأثير قوس البلازما الكهربية عالي الحرارة من سطح الأنود ، والذي يتكون من مادة تحتوي على الكربون (الجرافيت) ، يتبخر الكربون أو "ينفجر" ويتكثف على القطب السالب في شكل أنابيب نانوية كربونية موجودة في ترسب. من أجل أن تتكثف ذرات الكربون على الكاثود ، يتم خفض درجة الحرارة في المفاعل. حتى في وصف قصيرتتيح هذه التقنية تقييم مدى التعقيد الكامل وتكلفة الحصول على الجسيمات النانوية. سوف يمر وقت طويل قبل أن تصبح عملية الإنتاج والتطبيق متاحة لمعظم المؤسسات.

معرض الصور: مخطط ومعدات للحصول على الأنابيب النانوية من الكربون

تركيب تركيب الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار بطريقة القوس الكهربائي منشأة علمية صغيرة للطاقة للحصول على بنية نانوية أنبوبي
طريقة إنتاج درجات حرارة منخفضة

تركيب لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية الطويلة

هل هي سامة؟

قطعا نعم.

في عملية البحث المخبري ، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن الأنابيب النانوية الكربونية تؤثر سلبًا على الكائنات الحية. وهذا بدوره يؤكد سمية الأنابيب النانوية ، ويقل تشكك العلماء في هذه القضية المهمة.

أظهرت الدراسات أن التفاعل المباشر للأنابيب النانوية الكربونية مع الخلايا الحية يؤدي إلى موتها. تمتلك الأنابيب النانوية أحادية الجدار على وجه الخصوص نشاطًا قويًا مضادًا للميكروبات. بدأ العلماء بإجراء التجارب على ثقافة مشتركة لمملكة البكتيريا (E. coli) E-Coli. في عملية البحث ، تم استخدام أنابيب نانوية أحادية الطبقة بقطر يتراوح من 0.75 إلى 1.2 نانومتر. كما أوضحت التجارب ، نتيجة لتأثير الأنابيب النانوية الكربونية على الخلية الحية ، تتضرر جدران الخلايا (الأغشية) ميكانيكيًا.

تحتوي الأنابيب النانوية التي تم الحصول عليها بطرق أخرى على كمية كبيرة من المعادن والشوائب السامة الأخرى. يفترض العديد من العلماء أن سمية الأنابيب النانوية الكربونية لا تعتمد على شكلها ، ولكنها مرتبطة ارتباطًا مباشرًا بالشوائب الموجودة فيها (الأنابيب النانوية). ومع ذلك ، فإن العمل الذي قام به علماء من جامعة ييل في مجال أبحاث الأنابيب النانوية أظهر تمثيلًا خاطئًا للعديد من المجتمعات. وهكذا ، تعرضت بكتيريا Escherichia coli (E-Coli) في عملية البحث للعلاج بأنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار لمدة ساعة واحدة. نتيجة ل معظم E-Coli مات. أكدت هذه الدراسات في مجال المواد النانوية سميتها وتأثيرها السلبي على الكائنات الحية.

توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن الأنابيب النانوية أحادية الجدار هي الأكثر خطورة ، ويرجع ذلك إلى النسبة التناسبية بين طول الأنبوب النانوي الكربوني وقطره.

أدت الدراسات المختلفة حول تأثير الأنابيب النانوية الكربونية على جسم الإنسان إلى استنتاج مفاده أن التأثير مماثل ، كما هو الحال في حالة دخول ألياف الأسبستوس إلى الجسم. تعتمد درجة التأثير السلبي لألياف الأسبستوس بشكل مباشر على حجمها: كلما كان التأثير السلبي أصغر ، كان التأثير السلبي أقوى. وفي حالة الأنابيب النانوية الكربونية ، فلا شك في تأثيرها السلبي على الجسم. يدخل الأنبوب النانوي إلى الجسم عن طريق الهواء ، ويستقر عبر غشاء الجنب في الصدر ، مما يتسبب في مضاعفات خطيرة ، ولا سيما الأورام السرطانية. إذا كان تغلغل الجسيمات النانوية في الجسم عن طريق الطعام ، فإنها تستقر على جدران المعدة والأمعاء ، مسببة أمراضًا ومضاعفات مختلفة.

يُجري العلماء حاليًا أبحاثًا حول التوافق البيولوجي للمواد النانوية والبحث عن تقنيات جديدة للإنتاج الآمن للأنابيب النانوية الكربونية.

آفاق

تشغل الأنابيب النانوية الكربونية مجموعة واسعة من التطبيقات. هذا يرجع إلى حقيقة أن لديهم بنية جزيئية في شكل إطار ، مما يسمح لهم بالحصول على خصائص تختلف عن خصائص الماس أو الجرافيت. وبسبب سماتها المميزة (القوة ، الموصلية ، الانحناء) يتم استخدام الأنابيب النانوية الكربونية أكثر من المواد الأخرى.

يستخدم اختراع الكربون هذا في الإلكترونيات ، والبصريات ، والهندسة الميكانيكية ، وما إلى ذلك. تُستخدم الأنابيب النانوية الكربونية كمواد مضافة للعديد من البوليمرات والمركبات لتعزيز قوة المركبات الجزيئية. بعد كل شيء ، يعلم الجميع أن الشبكة الجزيئية لمركبات الكربون لها قوة لا تصدق ، خاصة في شكلها النقي.

تستخدم الأنابيب النانوية الكربونية أيضًا في إنتاج المكثفات وأنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار والأنودات اللازمة لتصنيع البطاريات كممتص للموجات الكهرومغناطيسية. وجد مركب الكربون هذا تطبيقًا واسعًا في مجال تصنيع شبكات الاتصالات وشاشات الكريستال السائل. أيضًا ، تُستخدم الأنابيب النانوية كمكبر للصوت للخصائص التحفيزية في إنتاج أجهزة الإضاءة.

التطبيق التجاري

سوق	تطبيق	خصائص التركيبات القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية
سيارات	أجزاء نظام الوقود وخطوط الوقود (الموصلات ، وأجزاء المضخة ، والحلقات ، والأنابيب) ، وأجزاء الجسم الخارجية للطلاء الكهربائي (مصدات ، وأغطية المرايا ، وأغطية خزان الوقود)	توازن محسّن للخصائص مقارنة بأسود الكربون ، قابلية إعادة التدوير للأجزاء الكبيرة ، مقاومة التشوه
إلكترونيات	الأدوات والمعدات التكنولوجية ، أشرطة الرقائق ، سيور النقل ، اللوحات الخلفية ، معدات الغرف النظيفة	زيادة نقاء المخاليط مقارنة بـ ألياف الكربون، التحكم في مقاومة السطح ، قابلية التشغيل لصب الأجزاء الرقيقة ، مقاومة التشوه ، توازن الخصائص ، الاحتمالات البديلة لمزيج البلاستيك مقارنة بألياف الكربون

لا تقتصر الأنابيب النانوية الكربونية على مجالات معينة من التطبيق في مختلف الصناعات. تم اختراع المادة مؤخرًا نسبيًا ، وفي هذا الصدد ، يتم استخدامها حاليًا على نطاق واسع في التطوير العلمي والبحث في العديد من دول العالم. يعد هذا ضروريًا لإجراء دراسة أكثر تفصيلاً لخصائص وخصائص الأنابيب النانوية الكربونية ، وكذلك لإنشاء إنتاج واسع النطاق للمادة ، حيث تحتل حاليًا مكانة ضعيفة في السوق.

تستخدم الأنابيب النانوية الكربونية لتبريد المعالجات الدقيقة.

نظرًا لخصائصها الموصلة الجيدة ، فإن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية في الهندسة الميكانيكية يشغل نطاقًا واسعًا. تستخدم هذه المواد كأجهزة لتبريد الركام بأبعاد ضخمة. هذا يرجع في المقام الأول إلى حقيقة أن الأنابيب النانوية الكربونية لها موصلية حرارية عالية النوعية.

يلعب استخدام الأنابيب النانوية في تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر دورًا مهمًا في صناعة الإلكترونيات. بفضل استخدام هذه المواد ، تم إنشاء الإنتاج لتصنيع شاشات العرض المسطحة إلى حد ما. يساهم هذا في إنتاج أجهزة كمبيوتر صغيرة الحجم ، ولكن في الوقت نفسه ، لا تضيع الخصائص التقنية لأجهزة الكمبيوتر الإلكترونية ، بل تزداد. إن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية في تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر وصناعة الإلكترونيات سيجعل من الممكن تحقيق إنتاج معدات ستكون أفضل بعدة مرات من المواصفات الفنيةالنظراء الحاليين. بناءً على هذه الدراسات ، يتم بالفعل إنشاء مناظير حركية عالية الجهد.

أول معالج أنابيب الكربون النانوية

قضايا الاستخدام

من مشاكل استخدام الأنابيب النانوية التأثير السلبي على الكائنات الحية ، مما يلقي بظلال من الشك على استخدام هذه المادة في الطب. يقترح بعض الخبراء أنه قد تكون هناك مخاطر غير مقدرة في عملية الإنتاج الضخم للأنابيب النانوية الكربونية. وهذا يعني أنه نتيجة لتوسيع نطاق الأنابيب النانوية ، ستكون هناك حاجة لإنتاجها على نطاق واسع ، وبالتالي سيكون هناك تهديد للبيئة.

يقترح العلماء البحث عن طرق لحل هذه المشكلة في تطبيق طرق وأساليب أكثر صداقة للبيئة لإنتاج الأنابيب النانوية الكربونية. واقترح أيضًا أن يتخذ مصنعو هذه المادة مقاربة جادة لمسألة "تنظيف" عواقب عملية الأمراض القلبية الوعائية ، والتي بدورها قد تؤثر على زيادة تكلفة المنتجات.

صورة للتأثير السلبي للأنابيب النانوية على الخلايا أ) خلايا الإشريكية القولونية قبل التعرض للأنابيب النانوية ؛ ب) الخلايا بعد التعرض للأنابيب النانوية

في العالم الحديثتساهم الأنابيب النانوية الكربونية مساهمة كبيرة في تطوير التقنيات المبتكرة. يقدم الخبراء توقعات لزيادة إنتاج الأنابيب النانوية في السنوات القادمة وانخفاض أسعار هذه المنتجات. سيؤدي هذا بدوره إلى توسيع نطاق الأنابيب النانوية وزيادة طلب المستهلكين في السوق.